Quelltext der Seite Wellenbrechen

[[Datei:Wellenreiten.jpg|mini|Surfer an einem Schwallbrecher]]
[[Datei:Breaking wave in wavemaker.ogv|miniatur|thumbtime=0:02.25|Eine brechende Welle bei ansteigendem Grund in einem Laborwellenkanal]]
[[Datei:Rompiente.jpg|mini|Brechen der Wellen an der Küste Chiles]]

'''Wellenbrechen''' bezeichnet bei [[Wasserwelle]]n den kritischen Grad der [[Wellentransformation]], bei dem die Oberflächenspannung am [[Wellenkamm]] überwunden wird, die [[Orbitalbewegung (Wasserwellen)|Orbitalbewegung]] ihre charakteristische Form verliert und aus der Wellenkontur austretendes Wasser in den Vorderhang fällt. Derart instabile Wellen werden ''Brecher'' genannt. Weitere Bezeichnungen sind ''Sturzwoge'', ''Sturzbrecher'' oder auch ''Sturzsee''.<ref>Duden online: [http://www.duden.de/rechtschreibung/Brecher ''Brecher''], siehe Abschnitt „Synonyme“</ref>

[[Datei:Wave dissipating blocks.jpg|mini|[[Wellenbrecher (Wasserbau)|Wellenbrecher]] (in diesem Fall [[Tetrapode (Stein)|Tetrapoden]])]]
Die zur Erzeugung der Meereswellen ([[Schwerewelle]]n) erforderliche Energie wird über hunderte von Kilometern vom Wind auf die Wasseroberfläche übertragen und pflanzt sich gegebenenfalls noch über Tausende von Kilometern als Welle fort. Die Umwandlung dieser Energie in [[Wärme]] erfolgt indessen durch den Vorgang des Wellenbrechens meist in Zonen flacheren Wassers, oft auf nur ganz wenigen Metern in der [[Brandung]]szone. Insbesondere bei solchen Randbedingungen können an den Küsten verheerende Zerstörungskräfte auftreten. Der Brechprozess der Welle selbst ist gekennzeichnet durch die Orbitalbewegung der sich bis zum Brechpunkt kontinuierlich verformenden Welle.

== Kriterien des Wellenbrechens ==
Sowohl das Verhältnis der momentanen Orbitalgeschwindigkeit ''w'' zur [[Phasengeschwindigkeit]] ''c'' der Welle (Wellenfortschrittsgeschwindigkeit) als auch das Verhältnis der Orbitalbeschleunigung ''a'' zur [[Schwerebeschleunigung]] ''g'' ist von Bedeutung. Nach [[George Gabriel Stokes]] werden periodische Wellen instabil, wenn bei anwachsender Wellenhöhe der Tangentenwinkel am Wellenkamm <math> \gamma \le 120^\circ</math> wird. Für [[Tiefwasserwellen]] hat [[John Michell]] die zugehörige Grenzsteilheit zu ''H''/''L''=0,142 ermittelt (''H'' = [[Wellenhöhe]], ''L'' = [[Wellenlänge]]) und [[William John Macquorn Rankine|Rankine]] (1860) die Übereinstimmung der Orbitalgeschwindigkeit ''w'' am Wellenkamm mit der Wellenfortschrittsgeschwindigkeit ''c''.

Für das Brechen der Wellen in Brandungszonen gelten für den kritischen Kammwinkel und für die kritische Orbitalgeschwindigkeit ''w'' etwa die gleichen obigen Feststellungen. Die maximal mögliche Grenzsteilheit H/L im Flachwasser ist jedoch zusätzlich von der [[Bathymetrie|Wassertiefe]] ''d'' abhängig, was nach der Theorie der Einzelwellen auch in dem Verhältnis der Brecherhöhe <math> H_b </math> zur Wassertiefe <math> d_b </math> zum Ausdruck kommt.
Damit lauten die Kriterien des Wellenbrechens in [[Epipelagial|Flachwasserzonen]]:

:<math>\frac{\text{Orbitalgeschwindigkeit}}{\text{Wellenfortschrittsgeschwindigkeit}} = \frac{w}{c} \ge 1</math>

:<math>\text{Brecherkammwinkel:} \quad \gamma \le 120^\circ</math>

:<math>\frac{\text{Orbitalbeschleunigung}}{\text{Schwerebeschleunigung}} = \frac{a}{g} \ge 1</math>

:<math>\text{Grenzsteilheit:} \quad \max\frac{H}{L} = 0{,}142 \tanh\frac{2 \pi d}{L}</math>

:Relative Wellenhöhe:

:<math>0{,}82 \le \frac{H_b}{d_b} \le 1{,}93</math>.

== Brecherformen ==
Bei Wasserwellen geht die Faszination davon aus, dass sie sich dem Beobachter oft als Wellen mit einer imperfekten Form darstellen und zwar umso mehr, je stärker sie von einer regelmäßigen Sinus-Form abweichen. 
Dies ist insbesondere bei brechenden Wellen der Fall, bei denen es im Kammbereich zu einem aus Wasser und Luft bestehenden [[Gemisch|Zweiphasengemisch]] ([[Schaum]]) kommt. 
Bei marinen Bauwerken und Schiffen ist von besonderer Bedeutung, dass die von brechenden Wellen ausgehenden Kraftwirkungen im Kammbereich ihr Maximum erreichen. Extreme Kraftwirkungen – wie der [[Druckschlag]] bei Bauwerken und der [[Seeschlag]] (Slamming) bei Schiffen – sind von der aktuellen '''Brecherform''' abhängig.

Im Gegensatz zu den durch Starkwind auf offenem Meer erzeugten Formen des Wellenbrechens (white capping), können in Ufernähe ''unterschiedliche'' Brecherformen definiert werden, und zwar in Abhängigkeit von der 
* Seegrundneigung (bzw. künstlicher [[Böschung]]sneigung) <math> 1:n = \tan \alpha </math> 
und der
* Wellensteilheit <math>S = H/L \,</math>.

Hier kommt es infolge von [[Refraktion (Wasserwellen)|Refraktion]] und küstenwärtig abnehmender Wassertiefe ([[Shoaling]]) zu anwachsender [[Wellenhöhe]] ''H'' und verringerter [[Wellenlänge]] ''L'' bis bei der maximalen Wellensteilheit max(''S'') das Wellenbrechen einsetzt. 
Unter Verwendung der auf Irribarren und Nogales (1949) zurückgehenden Brecherkennzahl 

:<math> \xi = \frac{\tan \alpha}{\sqrt{\frac{H}{L_o}}} = \frac{1}{\sqrt{\frac{H}{L_o}}} \cdot \frac{1}{n}</math>
: <math>\text{wird mit }   L_o = \frac{g}{2\pi}\cdot T^2 </math> 
:<math>(L_{o} =\,</math> <math> \mathrm{Wellenl\ddot ange}\text{ im Tiefwasser}; T = \text{Wellenperiode})\,</math>

:<math> \xi = \xi(H, T, n)= \sqrt{\frac{g}{2\pi}} \cdot \frac{1}{\sqrt{H}}\cdot  T \cdot \frac{1}{n}</math>
Es lassen sich 3 Hauptformen voneinander wie folgt abgrenzen:

: <math>\xi < 0{,}5\, \ \ \qquad \qquad\text{Schwallbrecher (spilling breaker) }</math> 
: <math>0{,} 5 \le \xi \le 3{,}3 \, \qquad \text{Sturzbrecher (plunging breaker)} </math>
: <math>\xi > 3{,}3\, \ \ \qquad \qquad\text{Reflexionsbrecher (surging breaker)}</math>

Hierbei handelt es sich um besonders markante Formen. Im Gegensatz dazu ist in der Natur oft ein stetiger Übergang von der einen Form zur anderen zu beobachten.

Bei '''Schwallbrechern''' wird zunächst die Oberflächenspannung am relativ symmetrischen Wellenkamm überwunden; es bilden sich Blasen, die sich zusammen mit dem aus der Welle austretenden Wasser auf der Vorderfront der Welle hinabbewegen. Auf einer Strecke, die der mehrfachen Wellenlänge entspricht, wird die Wellenenergie in Turbulenz und schließlich in Wärme umgesetzt. Nach '''Sturzbrechern''' ist dies die von [[Wellenreiter]]n bevorzugte Brecherform.

[[Datei:spilling breaker.gif|mini|Schwallbrecher]]
[[Datei:plunging breaker single.gif|mini|Sturzbrecher]]
[[Datei:Collapsing breaker.gif|mini|Partieller Sturzbrecher]]
[[Datei:surging breaker.gif|mini|Reflexionsbrecher]]

Der '''Sturzbrecher''' ist dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmender Aufsteilung auch zunehmende Asymmetrie auftritt bis schließlich der küstenwärtige Hang der Welle senkrecht steht. Erst dann tritt Wasser aus dem Kamm aus und bewegt sich – der Fallparabel folgend – über den Vorderhang hinweg in das davor liegende Wellental hinein. Einerseits gelangt das auftreffende Wasser zusammen mit eingeschlagener Luft bis auf den Boden, zum anderen wird es entsprechend der dort vorhandenen Orbitalgeschwindigkeitsrichtung in einer Walze wieder zum Wellenkamm transportiert. Beide Mechanismen verursachen eine intensive Luftdurchmischung, sodass die Energie auf einer Strecke, die einem Bruchteil der Wellenlänge entspricht, umgewandelt wird.
Trifft der Sturzbrecher direkt auf eine etwa wasserfreie Fläche, tritt [[Druckschlag]] auf.

Das [[Wellenreiten]] unter der parabelförmigen Brecherzunge wird als ''Tube-Surfing'' bezeichnet.

Beim '''Reflexionsbrecher''' ist der Wasseraustritt und die Blasenbildung minimal und ein regelrechter Brechvorgang kaum zu verfolgen. Hier liegt ein Bewegungsvorgang vor, der eher mit einer stehenden Welle ([[Clapotis]]) zu vergleichen ist.

Davon zu unterscheiden ist eine ''Übergangsform an der Grenze zum Sturzbrecher'', die als '''partieller Sturzbrecher''' bezeichnet wird. Bei diesem wird nur der Unterteil des küstenwärtigen Hanges senkrecht. Der Punkt, an dem zuerst Wasser aus der Welle austritt, befindet sich küstenwärts und um einiges tiefer als der Wellenkamm.

== Verwandter Mechanismus ==
Das Brechen der instationären Wellen in [[Brandungswelle|Brandungszonen]] ist dem von der stationären Gerinneströmung bekannten Prozess des [[Wechselsprung]]es vergleichbar: Bei beiden Vorgängen treten Energieumwandlungsraten auf, die um Größenordnungen höher sind als Reibung an der Sohle oder innere Reibung zwischen den Flüssigkeitsteilchen. Es ist bemerkenswert, dass bei beiden Naturvorgängen der genannte beträchtliche Energieumsatz auf relativ kurzer Strecke erfolgen kann.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
{{Commonscat|Breaking water waves|Wellenbrechen}}
* [[Fritz Büsching]]: [http://www.hollow-cubes.de/Rep_Kuestening/Kw15.pdf Wellenbrechen] (PDF; 667&nbsp;kB)

[[Kategorie:Küsteningenieurwesen]]
[[Kategorie:Wellen]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]