Physiker aus Los Angeles und Berlin entdecken Ähnlichkeit zwischen riesigen Ozeanwellen und optischen Phänomenen

Lange Zeit galten Monsterwellen, die aus dem Nichts auftauchten und Schiffe verschlangen, als Seemannsgarn. Doch in den letzten Jahren hat es nicht nur Fotos davon gegeben, sondern sogar Schiffsunglücke, die nachweislich auf solche „freak waves“, wie sie im Englischen heißen, zurückgingen. Zwar hat man die Prozesse, die zum plötzlichen Aufschaukeln der Meereswellen führen, immer noch nicht völlig verstanden, aber es ist klar, dass es sich um nicht-lineare Phänomene handelt.

Eine Bestätigung dieser Theorie kommt nun ausgerechnet aus der optischen Forschung, daran beteiligt war auch ein Wissenschaftler aus dem Berliner Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI). An der University of California in Los Angeles (UCLA) wies eine Gruppe von Physikern um Daniel Solli von der UCLA nach, dass „freak waves“ auch in optischen Fasern auftreten können. Das Team berichtet darüber in der aktuellen Ausgabe von Nature.

Koautor Claus Ropers vom MBI erläutert den Hintergrund: „Wenn man einen schwachen roten Laserpuls durch eine optische Faser schickt, kommt am anderen Ende normalerweise auch wieder rotes Licht heraus. Ab einem gewissen Schwellenwert jedoch kommt es zur Bildung eines Superkontinuums, das heißt, aus dem roten Licht wird weißes mit nunmehr allen Spektralfarben. Pioniere dieses Phänomens sind die Forscher um Dr. Joachim Herrmann hier am Berliner MBI.“ Ist das dann die Entsprechung zur Monsterwelle? „Nein“, sagt Ropers, „bei so starken Pulsen ist ein derartiges Superkontinuum zu erwarten.“ Auf die Situation auf offener See übertragen sei ein so starker Lichtpuls wie ein Orkan, bei dem eben hohe Wellen üblich seien.

Die Versuche in Kalifornien zeigten nun aber, dass selbst bei schwachen Lichtpulsen plötzliche „freak waves“ auftauchten: „In seltenen Fällen kam es zur Bildung eines Superkontinuums und aus dem schwachen roten Puls wurde ein weißer“, berichtet Ropers. „Solche optischen Monsterwellen sind nahe verwandt mit den riesigen Meereswellen, die bei ruhiger See auftreten können“, berichtet der Hauptautor Daniel Solli.

Er und seine Kollegen an der UCLA hatten eine neue Nachweismethode benutzt, um die optischen Wellen und ihre statistische Verteilung zu beobachten. Demnach gibt es ein charakteristisches Muster, bei dem die Wellen meist eine geringe Höhe haben und es zu extremen „Ausreißern“ kommt. Diese optischen Monsterwellen kamen statistisch häufiger vor als man erwarten würde.

Die Ergebnisse sind nicht nur für die nichtlineare Physik von Bedeutung. „Optische Experimente könnten helfen, das Geheimnis der Monsterwellen im Ozean zu erklären“, sagte Bahram Jalali. Der UCLA-Professor leitete die in Nature publizierte Studie und ist selbst passionierter Segler.

Quelle: D. R. Solli, C. Ropers, P. Koonath & B. Jalali: Optical rogue waves (Nature, Bd. 450, 13. Dezember, S. 1054)

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Forschungsverbund Berlin e.V.