Forschung: Ist „Totwasser“ gar nicht so tot? – Neue Erkenntnisse über ein altes Phänomen

Totwasser – die Süß- und Salzwasser-Bremse

Wie man ein 800 Tonnen-Expeditionsschiff vollständig ausbremst? Man nehme: Übereinander liegende Süß- und Salzwasserschichten für den Nansen- und einen Fjord für den Ekman-Effekt? Alles klar? 

Arktis, Umwelt, Schifffahrt,

Rein theoretisch könnte hier Totwasser entstehen. Wenn auch die Growler schon genug abbremsen © voyage d’yvenic

1893 erlebten der Norwegische Seefahrer und Polar-Forscher Fridtjof Nansen und seine Crew bei einer Expedition am Polarkreis ein seltsames Phänomen: Das Expeditionsschiff „Fram“ stoppte plötzlich unweit der Sibirischen Küste ohne erkennbaren Grund von 7 kn Fahrt auf 1, 5 kn ab und war von der Mannschaft über Stunden hinweg nicht wieder in die ursprüngliche Geschwindigkeit zu bringen. Der frische Wind blies dabei unvermindert weiter, die Windrichtung hatte sich nicht geändert, gegenan stehender Tidenstrom war nicht zu erkennen. „Wir machten über Stunden hinweg Umwege entlang unserer Route, sogar komplette Schleifen, versuchten alle möglichen Tricks, um zu entkommen, vergeblich”, schrieb der Forscher in seinem Logbuch. Damals nannten er und seine Crew dieses Phänomen “totes Wasser“.

800 Tonnen-Monstrum von Colin Archer

Nun muss klargestellt werden, dass die „Fram“ nicht einfach irgendeine Nussschale war, mit der Wind und Wellen machen konnten, was sie wollten. Der 39 Meter lange Dreimaster war ein Jahr zuvor vom Stapel gelaufen und ausschließlich für Expeditionen im Nördlichen Polarmeer vorgesehen. Der gesamte Holzrumpf war darauf ausgerichtet, monatelang im Packeis treiben zu können. 800 Tonnen verdrängte das „gepanzerte“ Monstrum, das zudem mit spezieller Wärmedämmung ausgestattet war, damit die Besatzung überhaupt die langen Winter des Norden überlebten.

Die Fram – 800 t Verdrängung, 39 m lang – einfach ausgebremst © Wikipedia

Dass die „Fram“ trotz aller Masse und Robustheit (220 PS Dampfmaschine!) auch noch gut segelte, war wiederum ihrem Konstrukteur zu verdanken. Kein Geringerer als der damals schon legendäre Colin Archer hatte das Expeditons-Monstrum gezeichnet. Seine Entwürfe waren berühmt für höchste Sicherheit und für die damalige Zeit beispiellos gutes Segelverhalten auch in extrem rauen Wetterlagen. 

Einfach ausgebremst – unerklärlich?

An Bord der „Fram“ konnte man sich das Phänomen zunächst nicht erklären. Zwar waren auch bei Nansen und den ihn begleitenden, erfahrenen „Salzbuckeln“ Seefahrer-Geschichten bekannt, die von ähnlichen Erlebnissen berichteten. Doch wurden solche vermeintlichen Erlebnisse von den Wissenschaftlern und Forschern als Seemannsgarn abgetan. Bis eben zu diesem Tag, als die „Fram“ in „totes Wasser“ geriet und im Prinzip ohne ersichtlichen Grund über Stunden hinweg manövrierunfähig wurde. 

Doch Nansen war Wissenschaftler und Forscher, der eben alle Beobachtungen, die mit dem Erlebten zu tun haben könnten, penibel notierte. Und der dem Phänomen auf den Grund gehen wollte. 

Es dauerte allerdings noch 11 Jahre, bis Nansen den schwedischen Ozeanographen und Physiker Vagn Walfrid Ekman beauftragte, ähnliche Situationen unter Laborbedingugnen nachzustellen bzw. zu erzeugen.

1904 kam Ekman zu dem Schluss, dass Wellen, die sich unter der Oberfläche des Schiffes durch seine Bewegung bilden, Wechselwirkungen zwischen bestimmten Wasserschichten und dem Schiffsrumpf erzeugen und das Schiff verlangsamen können. 

Der Effekt wurde beobachtet, wenn das Test-Boot in Gewässern aus mehreren Wasserschichten unterschiedlicher Dichte unterwegs war. 

Nansen zum Beispiel war während seiner Reise in der Nähe vor Sibirien auf eine obere Süßwasserschicht gestoßen (offenbar durch eine Flussmündung oder durch schmelzende Gletscher/Eisberge in der Nähe ), die eine sehr geringe Salzkonzentration aufwies und daher weniger dicht war. Darunter gab es eine dichtere Schicht mit höherer Salzkonzentration.

Wenn weniger dichtes Süßwasser über dichterem Salzwasser liegt, bildet sich in einigen Metern Tiefe eine ausgeprägte Grenzschicht. Bewegt sich ein Schiff über diese Schicht, erzeugt es dort eine Welle, die hinter dem Schiff herläuft und sich förmlich an dessen Heck festsaugt. Das, so fand Ekman heraus, bremst das Schiff ein. 

Somit war das Phänomen der „plötzlich einbremsenden Schiffe“ zwar experimentell bestätigt, aber noch nicht vollständig geklärt. 

Ruckelnd durch den Fjord

Denn Nachforschungen zu Beginn des letzten Jahrhunderts hatten auch ergeben, dass viele Seefahrer nicht nur von anhaltender Bremswirkung, sondern zudem von einer Art „Ruckeleffekt“ in diesen „toten Wassern“ berichten. Obwohl Vortriebsleistung (egal ob Segel, Maschine oder beides) mit gleicher Kraft arbeiteten, bremste das Schiff jeweils ruckartig ab, ruckelte weiter, bremste erneut ab. Diesen Effekt konnte Ekman nicht vollständig klären, zumal damals wohl noch nicht klar war, dass er hauptsächlich in verhältnismäßig engen Fahrwasser auftritt, etwa in Fjorden, relativ schmalen Wasserstraßen oder in schmalen Flußdeltas bzw. -mündungen.

+-anschaulich erklärt © morgane parisi

Erst im Juli 2020 konnten französische Wissenschaftler mit einer Publikation in dem US-amerikanischen Wissenschaftsmagazin PNAS nachweisen, wie es zu diesem (mittlerweile als Ekman-Effekt bezeichneten) Phänomen kommen kann. Einem Team um Johan Fourdrinoy von der Universität Poitiers gelang es bei Experimenten mit gefärbtem Salz- und ungefärbtem Süßwasser und mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Kameras, interne Turbulenzen innerhalb der o.g. Grenzschichten sichtbar zu machen. 

Somit wurde deutlich, dass man eigentlich nicht mit einem, sondern mit zwei Widerstandsphänomenen konfrontiert ist. Der erste, bereits bekannte Nansen-Widerstand, bremst   aufgrund einer Art festgesaugten Welle, die am Schiff bleibt, konstant ein. 

Interne Welle wird am Rand reflektiert

Der zweite „Ekman“-Widerstand, wird durch eine Art „interner Welle“ zwiischen den Schichten am Bug des Schiffes erzeugt. Diese „Schichtungs“-Bugwelle reflektiert an den Ufern und wird wieder in Richtung Schiff zurück geleitet, wo sie unter dem Rumpf eine „ruckelnde Änderung“ der Fahrtgeschwindigkeit erzeugen. 

Alle Skipper, die bereits in engen Gewässern (etwa im Hafen) mal etwas mehr aufgedreht haben kennen den Effekt von den „normalen“  Wellen: je enger das befahrene Gewässer, desto schneller und stärker werden die Wellen (z.B. von den Molen) wieder zurück geworfen. Genau so verhält es sich auch mit der Ekman-Welle: Je enger das Fahrgebiet, desto stärker der Ruckeleffekt, weil die Wellen schneller zurück kommen

Arved Fuchs, Expedition, Antarktis

 Der Haikutter Dagmar Aaen in ähnlichen Regionen wie damals die “Fram” © fuchs

Zweite, eigentlich nachvollziehbare Schlussfolgerung der französischen Wissenschaftler: Im Gegensatz zum konstant aufgrund von unterschiedlichen Dichten eintretenden Nansen-Effekt kann man dem Ekman-Effekt durch erhöhte Geschwindigkeit entkommen. Anders ausgedrückt: Kommen die Wellen vom Ufer, der Mole, der Hafenmauer wieder zurück und finden kein Schiff mehr vor, können sie es auch nicht mehr bremsen. 

Schiffshalter-Fische oder Nansen-Effekt?

Mit ihren neuen Erkenntnissen wollen die Wissenschaftler übrigens die entscheidende Wende in einer Seeschlacht der Antike erklären, die immer wieder als Seemannsgarn abgestempelt wurde. Bei der Schlacht von Actium im Ambraktischen Golf im Jahre 31 v. Chr standen sich die Schiffe des späteren Kaisers Augustus und seine Widersachers Marcus Antonius und seiner Verbündeten Kleopatra gegenüber. Laut historischen Berichten kamen dabei Kleopatras Schiffe, die offenbar für eine zweite Angriffswelle zum Einsatz kommen sollten, „nicht richtig in Fahrt“ und konnten in das Geschehen an der Seeschlacht-Front nur ungenügend und zu spät eingreifen. Völlig unerklärlich war das den Chronisten damals jedoch nicht, denn sie fanden schnell Verantwortliche für das Desaster: Schiffshalter-Fischer, die sich mit ihrem Saugmaul am Rumpf der Schiffe festsaugten.

Der Ambratkische Golf © wikipedia

Die Bedingungen für den Nansen- und Ekman-Effekt sind jedenfalls im Ambraktischen Golf durchaus gegeben. Enge, Kanal- und Fjord-ähnliche Passagen und reger Zufluss von Süßwasser prädestinierten die Gegend für die Nansen- und Ekman-Effekte.
Allerdings wurden bei weiteren, zahlreichen Seeschlachten in dem strategisch offenbar sehr günstig gelegenen Ambraktischen Golf im Laufe der Jahrhunderte keine weiteren „seltsamen Bremseffekte“ mehr aufgezeichnet.

Vielleicht sollte man einfach mal im Selbstversuch mit der Yacht vor Ort dem Phänomen ein für alle Male auf den Grund gehen. Was aber bitte nicht allzu wörtlich zu nehmen ist!

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Michael Kunst

Näheres zu miku findest Du hier

Ein Kommentar „Forschung: Ist „Totwasser“ gar nicht so tot? – Neue Erkenntnisse über ein altes Phänomen“

  1. avatar Harrie Jasses sagt:

    Spannend 👍

    Super Beitrag, mehr davon! Like or Dislike: Daumen hoch 4 Daumen runter 0

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