Bijzondere golven worden veel groter dan het bekende maximum

Kruisende golven blijken extremer dan extreem te zijn. Deze bijzondere diepzeegolven, waar nog weinig over bekend is, kunnen vier keer steiler worden dan voor mogelijk werd gehouden. Dit blijkt uit onderzoek van de TU Delft en andere universiteiten dat vandaag is gepubliceerd is Nature.

Lang geleden gingen er verhalen rond over mysterieuze monstergolven die uit het niets leken te ontstaan en zelfs grote schepen omverhaalden. Het mythische karakter werd verleden tijd toen zo’n monstergolf voor het eerst werd vastgelegd bij het Draupner platform in de Noordzee.

In 2018 lukte het Ton van den Bremer en zijn collega’s bij de Universiteiten van Edinburgh en Oxford om voor het eerst ooit deze Draupner-golf na te bootsen in het lab. Dit bood hen de kans om de golf nauwkeurig te bestuderen. En dat gaf onverwachte inzichten.

Meerdere golven stuwen water omhoog

Uit nieuw onderzoek van het onderzoeksconsortium blijkt nu dat dit bijzondere type golf niet breekt op het moment dat het volgens gangbare theorieën zou moeten breken. De verklaring hiervoor ligt in de ontstaanswijze van het monster. Ton van den Bremer, expert op het gebied van vloeistofmechanica bij de TU Delft, licht toe: “De golven die de meeste mensen van het strand kennen rollen vooruit. Het type golf dat wij onderzochten komt voor op open water en ontstaat als er golven vanuit meerdere richtingen samenkomen.” Als deze golven met een hoge directionele spreiding samenkomen wordt het water omhooggestuwd, een staande golf. Een voorbeeld daarvan is een kruisgolf.

De rollende golven breken bij een bepaald limiet en bereiken dan ook hun maximale steilheid. Het onderzoek laat zien dat golven met een hoge directionele spreiding wel tachtig procent steiler kunnen worden dan dit limiet, voordat ze beginnen te breken. Deze golven kunnen zo bijna twee keer hoger worden dan ‘gangbare golven’ voordat ze beginnen te breken.

Rollende golf (l) en golf met hoge directionele spreiding (r).

Zwellen terwijl het breekt

De onderzoekers stuitten op nog een ander bijzonder fenomeen dat breekt met bestaande theorieën. En dat is ongekend, volgens Van den Bremer: “Als een golf eenmaal begint te breken zie je een witte kop ontstaan, en is er normaliter geen weg meer terug. Maar als een golf met een hoge directionele spreiding begint met breken, kan de golf nog steeds verder groeien.” Het onderzoek laat zien dat deze enorme golven, tijdens het breekproces, nog eens twee keer zo steil kunnen worden, wat al twee keer steiler was dat het oorspronkelijk limiet. Bij elkaar opgeteld kunnen de golven dus vier keer zo steil worden als voor mogelijk werd gehouden.

Schade aan offshore constructies

De kennis dat golven die uit meerdere richtingen komen wel vier keer groter kunnen worden dan gedacht, kan houvast bieden om bouwwerken in zee veiliger te maken.  “De driedimensionaliteit van golven wordt vaak over het hoofd gezien bij het ontwerp van offshore windturbines en andere constructies. Onze bevindingen suggereren dat dit leidt tot ontwerpen die minder betrouwbaar zijn”, zegt Mark McAllister van de University of Oxford, die de experimenten leidde en inmiddels werkzaam als senior onderzoeker bij Wood Thilsted.

Dankzij de innovatie verticale sensoren is het mogelijk om nauwkeurige 3D metingen te doen van de golven.

Innovatie in 3D-meetmethode

De inzichten zijn te danken aan de ontwikkeling van een 3D-meetmethode in het FloWave lab. “De gebruikelijke 2D-methoden om golven te onderzoeken waren niet toereikend”, vertelt Van den Bremer. De onderzoeksgroep ontwierp een nieuwe manier om een 3D-beeld van de golven te krijgen. Ross Calvert van de University of Edinburgh: “Voor het eerst is het gelukt om golfhoogtes te meten met zo'n hoge ruimtelijke resolutie over zo'n groot gebied. Zo konden we veel meer details begrijpen van het complexe breken van golven.”

FloWave Ocean Energy Research Facility in Edinburgh. In het ronde bassin van 25 meter kunnen golven vanuit meerdere richtingen kunnen worden gegenereerd.

Headerfoto door: Fabien Duboc