Beach and Coastal Structure Impacts of Infragravity Waves During the Late December 2023 Swells in Southern California

Der Ozean ist selten still, selbst wenn die Oberfläche ruhig aussieht. Während die meisten Menschen Wellen als die rhythmischen, windgetriebenen Rollbewegungen betrachten, die an einem Strand brechen, enthält das Meer auch eine verborgene, langsamere Bewegung, die sich unter der Oberfläche bewegt. Wissenschaftler nennen diese langen, rollenden Dünungen „Infragravitationswellen“. Im Gegensatz zu den vertrauten Windwellen, die alle paar Sekunden brechen, können diese langsameren Wellen zwischen einigen Minuten und einer halben Stunde benötigen, um einen einzelnen Punkt zu passieren. Sie sind oft mit bloßem Auge nicht sichtbar, da sie nicht wie brechendes Wasser aussehen; stattdessen wirken sie wie ein langsamer, steigender und fallender Boden, der die gesamte Meeresoberfläche anhebt. Wenn eine gewaltige Sturmflut eine starke Dünung in Richtung Küste schickt, können sich diese langsamen Wellen in Buchten und Häfen stauen und Energie aufbauen, ähnlich wie Wasser in einer geschüttelten Badewanne. Diese Energie kann den Wasserstand plötzlich viel höher steigen lassen als erwartet, wodurch die schnelleren, brechenden Windwellen auf diesem erhöhten Boden reiten und weit ins Landesinnere vordringen können, was zu Überschwemmungen und Erosion führt, die von Standardprognosen möglicherweise nicht erfasst werden.

Ende Dezember 2023 schickte ein schwerer Sturm im Nordpazifik eine massive Dünung in Richtung Südkalifornien, was einen perfekten Testfall für das Verständnis des Verhaltens dieser verborgenen Wellen darstellte. Ein Forscherteam, darunter Wissenschaftler des U.S. Army Corps of Engineers und der University of Southern California, machte sich daran zu untersuchen, warum genau dieser Sturm derart dramatische und unerwartete Schäden entlang des Santa Barbara Channels verursachte. Sie wollten wissen, ob die langsamen, langperiodischen Wellen dafür verantwortlich waren, einen großen Sturm in eine lokale Katastrophe zu verwandeln. Durch die Kombination von Daten von Offshore-Bojen, Gezeitenpegeln, Videomaterial und detaillierten Computersimulationen setzte das Team die Geschichte zusammen, wie die Energie aus dem tiefen Ozean in den Hafen wanderte, durch die Form der Küste verstärkt wurde und in einer plötzlichen, unberechenbaren Welle resultierte, die eine Straße überflutete und den Strand umgestaltete.

Der Sturm, der vom 28. bis 31. Dezember 2023 auftraf, war Teil eines größeren Wetterphänomens im Zusammenhang mit El Niño-Bedingungen. Obwohl die Wellen groß waren, waren sie nicht die größten, die jemals im offenen Ozean vor der Küste Kaliforniens aufgezeichnet wurden. Sobald die Dünung jedoch die komplexe Geografie des Santa Barbara Channels erreichte, änderte sich die Situation. Der Kanal ist ein langer, gebogener Beckenbereich, der durch Inseln und Landzungen geschützt ist, was dazu führt, dass Wellen in bestimmten Bereichen abbiegen, reflektiert werden und sich fokussieren. Die Forscher fanden heraus, dass die Wellen im offenen O ocean zwar signifikant waren, die eigentliche Gefahr jedoch darin lag, was danach geschah. Als die Sturmwellen in den Kanal eindrangen, erzeugten sie einen starken Impuls an Infragagravitationsenergie. Diese Energie kam nicht als eine einzelne Welle an, sondern als eine anhaltende, rhythmische Oszillation des Wasserspiegels, die Stunden andauerte.

Die auffälligsten Beweise für dieses Phänomen zeigten sich in der Stadt Ventura am Morgen des 28. Dezember. Gegen 10:50 Uhr, gerade als die Flut hoch stand, schoss eine massive „Sneaker Wave“ (eine unerwartete Brandungswelle) plötzlich über den Strand und eine niedrige Beton-Seemauer. Dies war keine typische brechende Welle; es war ein plötzlicher, kraftvoller Wasseransturm, der einen nahegelegenen Parkplatz und eine Straße überflutete und dabei eine Tiefe von etwa einem Meter über der Straßenoberfläche erreichte. Augenzeugenvideos und Untersuchungen nach dem Sturm zeigten, dass das Wasser auf eine Höhe von 5,5 Metern über den normalen Wasserspiegel spritzte. Die Forscher stellten fest, dass dieses Ereignis sehr lokal begrenzt war; während die gesamte Küste erschüttert wurde, traf es diesen spezifischen Ort mit einer Kraft, die unverhältnismäßig hoch im Vergleich zur Wellenhöhe auf offener See schien. Der Zeitpunkt dieses Ereignisses fiel mit einer Phase intensiver, niederfrequenter Energie im Hafen zusammen, was darauf hindeutet, dass die langsamen Wellen genug Schwung aufgebaut hatten, um den Wasserspiegel anzuheben, sodass die Sturmwellen mit verheerender Wirkung über die Seemauer reiten konnten.

Um zu verstehen, wie dies geschehen konnte, untersuchte das Team die Daten der Gezeitenpegel in den Häfen von Santa Barbara und Ventura. Sie verwendeten eine Methode, die die Bewegung des Wassers in verschiedene Geschwindigkeiten zerlegt und so offenbart, dass die Häfen mit spezifischen, natürlichen Rhythmen vibrierten. Es ist vergleichbar damit, wie eine bestimmte Note ein Glas zum Zerspringen bringen kann, aber in diesem Fall resonierte der Ozean mit den langsamen, langen Wellen. Die Analyse zeigte, dass die Häfen Wellen mit Perioden zwischen 1κ6 und 21 Minuten verstärkten. Wenn die Energie des Sturms mit diesen natürlichen Rhythmen übereinstimmte, begann der Wasserspiegel im Hafen mit zunehmender Intensität zu oszillieren. In Ventura schuf diese Verstärkung einen „Hotspot“, an dem das Wasser ständig höher und höher gedrückt wurde, was die Bühne für die Sneaker Wave bereitete.

Der physische Schaden am Boden bestätigte die Kraft dieser Wechselwirkungen. Nach dem Sturm untersuchten die Forscher die Küstenlinie und stellten fest, dass der Strand an einigen Stellen um etwa 25 Meter zurückgewichen war, wobei eine steile, zwei Meter hohe Sandkante in die Dünen geschnitten wurde. Diese Erosion wurde nicht nur durch die brechenden Windwellen verursacht; sie wurde durch die anhaltend hohen Wasserstände verursacht, die durch die Infragitationswellen hervorgerufen wurden, welche das Wasser über längere Zeiträume gegen die Dünen drückten und Sand wegspülten, der ansonsten sicher gewesen wäre. Der Schaden erstreckte sich auch auf die Hafenstrukturen. Die Offshore-Wellenbrecheranlage, eine aus großen Steinen bestehende Mauer zum Schutz des Hafens, erlitt erhebliche Schäden. Große Steine wurden verschoben und der Neigungswinkel der Struktur wurde gefährlich steil. Die Forscher beobachteten, dass die Infragitationswellen selbst die Steine nicht zertrümmerten, aber den Wasserspiegel so weit anheben, dass die kleineren, schnelleren Sturmwellen Teile der Mauer treffen konnten, die normalerweise sicher sind, und diese über die Zeit abtrugen.

Mit Hilfe eines hochentwickelten Computermodells simulierten die Forscher den Sturm, um zu sehen, wie die Wellen mit der Form des Hafens interagierten. Sie testeten Wellen unterschiedlicher Länge, um zu sehen, welche die größten Probleme verursachen würden. Das Modell bestätigte, dass der Santa Barbara Channel über spezifische Resonanzmodi oder natürliche Frequenzen verfügt, die lange Wellen einfangen und verstärken können. Als sie die tatsächlichen Bedingungen vom 28. Dezember simulierten, zeigte das Modell, dass Wellen mit einer Periode von etwa 120 Sekunden die Energie direkt an der Stelle der Sneaker Wave bündelten. Diese Simulation deutigte darauf hin, dass die Sneaker Wave das Ergebnis einer „perfekten Kombination“ von Bedingungen war: eine Flut, eine starke Sturm-Dünung und ein spezifischer, verstärkter Langwellen-Rhythmus, der die Energie auf diesen speziellen Küstenabschnitt fokussierte.

Die Studie hob auch hervor, dass nicht alle Teile der Küste gleich reagieren. Während der Santa Barbara Channel Rekordbedingungen erlebte, blieben benachbarte Gebiete wie die Santa Monica Bay von den schlimmsten Auswirkungen weitgehend verschont, weil die Form der Küste und die Richtung der Wellen sie abschirmten. Diese Erkenntnis ist entscheidend für die Küstensicherheit. Sie legt nahe, dass extreme Wellenereignisse nicht einheitlich sind; ein Sturm, der in einem Hafen gefährlich ist, kann in einem anderen Hafen, der nur wenige Meilen entfernt liegt, harmlos sein. Die Forscher betonten, dass es nicht ausreicht, sich allein auf die Höhe der Wellen im offenen Ozean zu verlassen, um Küstengefahren vorherzusagen. Die langsamen, langperiodischen Wellen können einen handhabbaren Sturm in eine lokale Katastrophe verwandeln, indem sie den Wasserspiegel anheben und es Wellen ermöglichen, weiter ins Landesinnere vorzudringen, als man erwarten würde.

Letztlich liefert diese Forschung ein klareres Bild davon, wie Küstengemeinden gegenüber Kräften verwundbar sein können, die sie nicht immer sehen können. Die Infragitationswellen fungierten als ein verborgener Verstärker, der eine große Dünung in eine lokale Überschwemmungs- und Erosionsereignis verwandelte. Durch die Identifizierung der spezifischen Rhythmen, die dazu führen, dass Häfen resonieren, können Wissenschaftler besser vorhersagen, wann und wo diese gefährlichen Bedingungen auftreten könnten. Die Arbeit beansprucht nicht, das Problem der Küstenerosion gelöst zu haben, aber sie bietet ein entscheidendes Puzzleteil: das Verständnis, dass die langsamen, tiefen Rhythmen des Ozeans genauso zerstörerisch sein können wie die sichtbaren, brechenden Wellen. Für die Bewohner von Ventura und anderer Küstenstädte bedeutet dies, dass zukünftige Sicherheitspläne auch diese langperiodischen Wellen berücksichtigen müssen, um sicherzustellen, dass Seemauern und Strände nicht nur die Höhe des Sturms, sondern auch den verborgenen, steigenden Boden des Ozeans unter ihm standhalten können.