In 1826 belandde de Franse wetenschapper en kapitein Jules Dumont d’Urville in een grote storm tijdens het oversteken van de Indische Oceaan. Er was een moment dat er een muur van water van zo’n dertig meter opdoemde boven zijn schip, de Astrolabe. Het was een van de golven van meer dan 25 meter hoog die hij tijdens die heftige storm waarnam. Een van zijn bemanningsleden sloeg overboord. Maar toen hij eenmaal weer terug was aan land werd zijn verhaal, waarvoor hij drie getuigen had, afgedaan als fantasie, omdat het zo overdreven leek.
Wetenschappers dachten op dat moment dat golven niet meer dan zo’n tien meter hoog konden worden. Het handjevol negentiende-eeuwse verslagen van enorme golven die op open zee voorkwamen, werden afgedaan als zeemansverhalen. Pas later zouden wetenschappers zich realiseren dat ze niet vaak dergelijke verhalen hoorden omdat veel zeelieden die in aanraking kwamen met dergelijke ‘monstergolven’ dit niet konden navertellen.
Tegenwoordig wordt een golf een monstergolf genoemd wanneer deze meer dan twee keer zo groot is als de omringende golven. Deze enorme gevaarten kunnen plotseling, en naar het lijkt uit het niets, ontstaan. Ze hebben een duidelijk afgetekende zijkant en een diep golfdal onderin, waardoor het lijkt alsof er een muur van water uit zee oprijst. Ze kunnen tijdens stormen ontstaan op een onrustige zee, maar er zijn ook verslagen dat ze zich op een kalme zee voordeden. Dit is een van de redenen waarom ze zo moeilijk te voorspellen zijn.
Sinds halverwege de jaren negentig erkennen wetenschappers dat monstergolven echt bestaan – maar het blijkt nog een hele klus om zeevarenden tegen ze te beschermen. Hoewel ze relatief zeldzaam zijn, kunnen de reuzengolven grote schade opleveren en mensenlevens kosten als ze een schip op open zee treffen. De wirwar van factoren die bijdragen aan het ontstaan van monstergolven op de uitgestrekte oceaan is lastig te ontwarren. Onlangs combineerden wiskundigen gegevens afkomstig van onderzoeksboeien met statistische modellen om te achterhalen hoe deze gigantische golven zich vormen. Hun werk biedt hoop dat het misschien zelfs mogelijk wordt om ze te voorspellen voordat ze toeslaan.
Hoe golven kunnen groeien
Naarmate de scheepsbouwtechniek in de twintigste eeuw beter werd, kwamen er meer mensen die een monstergolf meemaakten en het konden navertellen. In april 1966 kwam het Italiaanse cruiseschip Michelangelo in aanvaring met een 25 meter hoge golf die hoog uittorende boven de andere door een storm veroorzaakte golven. Het schip liep zware schade op en drie mensen verdronken, maar de meeste opvarenden bleven ongedeerd.
De bemanning van het Duitse containerschip MS München had minder geluk. Het schip vertrok in december 1978 uit de Duitse havenstad Bremerhaven richting Atlanta in de Amerikaanse staat Georgia, met een lading staal en een 28-koppige bemanning. Nadat er zwaar weer was voorspeld en het schip in de vroege ochtend van 13 december noodsignalen had uitgezonden, bleek het vaartuig verdwenen, inclusief alle opvarenden. Een reddingsboot die op zo’n 20 meter boven de waterspiegel aan het schip was bevestigd, werd teruggevonden. Het leek erop alsof het van zijn plek was weggeslagen, vermoedelijk door een golf die minstens even hoog was.
Het duurde tot 1995 voordat de wetenschappelijke twijfels over deze mysterieuze monstergolven definitief verdwenen. Toen werd het booreiland Draupner, een platform in de Noordzee voor de kust van Noorwegen, geraakt door een monstergolf. De top van de golf, die werd gemeten door een laserdetector op de stellage rond het platform, kwam ruim 25 meter uit boven de waterspiegel.
Wetenschappers ontdekten daarna dat monstergolven ontstaan door een toevallige combinatie van golfbewegingen in zee. Daarmee verschillen ze van tsunami’s, grote golven die voortkomen uit een plotselinge beweging van het water door fenomenen als aardbevingen of aardverschuivingen.
Er zijn inmiddels twee belangrijke wiskundige verklaringen voor het ontstaan van monstergolven: lineaire toevoeging en niet-lineaire concentratie. De hypothese van lineaire toevoeging gaat ervan uit dat golven zich op verschillende snelheden door de oceaan bewegen en dat deze, wanneer ze elkaar overlappen, kunnen uitgroeien tot een monstergolf. Het idee achter niet-lineaire concentratie is dat golven zich in groepen voortbewegen en dat ze elkaar energie kunnen geven, wat soms monstergolven oplevert.
Een van de redenen dat hierover geen zekerheid bestond, was dat monstergolven zeldzaam zijn. Ook nu nog zijn kwalitatief hoogwaardige gegevens schaars.
‘Monstergolven in zee worden meestal gemeten via platforms of boeien. Die noteren de waterhoogte en de tijd op een bepaalde locatie, maar er is niets bekend over wat zich daarvoor afspeelde of wat er daarna gebeurde,’ zegt Amin Chabchoub, een in golven gespecialiseerde natuurkundige van de University of Sydney in Australië. Voor een onderzoek uit 2019 onder leiding van Chabchoub werden verschillende observaties en modellen van monstergolven geëvalueerd. Het team kwam tot de conclusie dat er verschillende oorzaken kunnen zijn voor monstergolven, afhankelijk van de omstandigheden op zee.
Bij gebrek aan waarnemingen van echte monstergolven wenden wetenschappers zich tot golftanks. ‘In een laboratorium is bijna een op een na te bootsen wat er op het oceaanoppervlak gebeurt,’ vertelt Chabchoub. Bij dergelijke experimenten kan ook rekening worden gehouden met stromingen en de wind. Toch heeft die gecontroleerde omgeving ook zijn beperkingen.
Water in een nauwe buis, zoals bijvoorbeeld een golftank, vormt veel sneller grote golven die kunnen worden geobserveerd. Maar dergelijke experimenten zijn een ‘onrealistisch scenario’ omdat de golven zich niet in alle richtingen kunnen verspreiden, zoals ze dat op zee wel doen, aldus technicus Francesco Fedele van het Georgia Institute of Technology.
De Amerikaanse overheidsinstantie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) is bezig een systeem te ontwikkelen dat ieder uur mogelijk gevaarlijke gebieden in de oceaan kan aanwijzen, met behulp van het programma WAVEWATCH III. De meest recente versie daarvan, die in 2019 uitkwam, maakt gebruik van een waarschijnlijkheidsformule die Fedele in 2012 ontwikkelde om te voorspellen waar en wanneer zich op zee extreme omstandigheden voordoen. Dit is een handig instrument om zeevarenden te waarschuwen voor gevaarlijke situaties, maar het is vermoedelijk niet genoeg om ze te beschermen tegen monstergolven die uit het niets ontstaan.
Onderzoeker Johannes Gemmrich van de University of Victoria in Canada bestudeerde de monstergolf die zich in 2020 voordeed in de buurt van het Canadese Vancouver Island. Hij zegt dat monstergolven het vaakst ontstaan als golven zich op verschillende snelheden voortbewegen en elkaar bij tijd en wijle overlappen. Dat is een ondersteuning voor het model van lineaire toevoeging. Maar hij denkt dat golfasymmetrie (die zich voordoet als golven hogere toppen en minder diepe golfdalen hebben) ook een cruciale rol speelt.
‘Als we uitgaan van een grotere asymmetrie, neemt de waarschijnlijkheid van extreme monstergolven aanzienlijk toe,’ aldus Gemmrich.
Een algemene formule voor de zee
Volgens een bepaalde school van wiskundigen doet het er niet toe wat de oorzaak van een monstergolf is, omdat het altijd mogelijk is om ze redelijk nauwkeurig te voorspellen met behulp van een statistische theorie voor zeldzame gebeurtenissen, die de large deviation theory wordt genoemd.
Het idee achter deze methode is om een model te maken voor de meest efficiënte manier waarop een monstergolf kan ontstaan en aan de hand van dat model vervolgens de ontwikkeling van een bepaalde monstergolf in kaart te brengen. De theorie kan afhankelijk van het scenario rekening houden met lineaire en niet-lineaire effecten, wat de reden is dat voorstanders dit zien als een theorie die verschillende hypotheses samenbrengt – en één die mogelijk kan worden gebruikt voor het voorspellen van monstergolven bij verschillende omstandigheden op zee.
‘Als je alleen maar kijkt naar de absoluut efficiëntste manier waarop deze golven kunnen worden gevormd, dan komt die heel aardig overeen met de observaties van daadwerkelijke monstergolven,’ vertelt wiskundige Tobias Grafke van de Britse University of Warwick.
Grafke en een team van onderzoekers testten deze theorie in golftunnels en zetten de resultaten af tegen de observaties van echte golven. Ze ontdekten dat deze methode in beide settings verrassend goed in staat bleek monstergolven te voorspellen.
Maar een van de problemen van deze theorie is dat het heel lastig is om alle factoren voor de situatie op zee op een bepaald moment mee te nemen. Als je kapitein op een schip bent, heb je het meest aan daadwerkelijke observaties om voorspellingen te doen, terwijl statistische waarschijnlijkheid je niet veel verder helpt. Volgens Grafke kunnen specifieke gegevens over de omstandigheden op zee worden ingevoerd in de formule van hem en zijn collega’s, maar hoe meer variabelen je opneemt, hoe moeilijker het wordt om een snel resultaat te krijgen.
‘Hoe complexer de formules, hoe beter de voorspelling maar hoe meer moeite en tijd de berekeningen kosten,’ aldus Chabchoub. ‘Je moet dan ook een afweging maken tussen nauwkeurigheid en de tijd die het kost om tot een nuttig resultaat te komen.’
Realtime voorspellingen
Wetenschappers werken aan technologie om realtime golven te kunnen voorspellen, maar deze nieuwe methodes moeten nog worden getest in de praktijk. Dat valt niet mee, gezien de zeldzaamheid van monstergolven. In veel gevallen moet het rekenproces worden versneld om het op te kunnen nemen tegen de snelheid van de golven.
‘In een woeste zee kunnen monstergolven in zo'n 10 tot 15 seconden ontstaan,’ zegt Fedele. ‘Het is nog steeds heel moeilijk om snelle en nauwkeurige voorspellingen te doen in zo'n kort tijdsbestek.’
Wetenschappers zouden, om monstergolven te kunnen voorspellen, een radarsysteem moeten hebben dat continu de golven in de buurt van een schip te monitort, zodat ze die gegevens kunnen invoeren in een wiskundig model dat een beeld schetst van de zeespiegel op dat moment. Een model dat elke vijf minuten opnieuw de zeespiegel berekent, zou een relatief nauwkeurige voorspelling opleveren van de ontwikkeling van de golven in de minuten daarna.
Zo'n systeem bestaat nog niet. ‘De technische mogelijkheden zijn er al wel. Maar de vraag is: hoe zorg je dat het proces snel genoeg gaat?’ zegt Fedele.
Wanneer er meer monstergolven worden gemeten, kunnen wiskundigen mogelijk eindelijk een manier vinden om deze dodelijke golven te voorspellen voordat ze uit de oceaan opdoemen - een staaltje techniek waar kapitein Dumont d’Urville in 1826 alleen nog maar van kon dromen.
