Große Brecher, die an einem Strand beobachtet werden, können durch weit entfernte Wettersysteme über eine gewisse Entfernung des ununterbrochenen Ozeans entstehen. Fünf Faktoren beeinflussen die Bildung von Windwellen, die dann zu Meereswellen werden:

• Windgeschwindigkeit oder -stärke im Verhältnis zur Wellengeschwindigkeit – der Wind muss sich schneller bewegen als der Wellenkamm (in der Richtung, in die sich der Wellenkamm bewegt), damit eine Nettoenergieübertragung von der Luft auf das Wasser stattfindet; Stärkere anhaltende Winde erzeugen größere Wellen
• Die ununterbrochene Strecke offenen Wassers, über die der Wind ohne signifikante Richtungsänderung bläst (als Fetch bezeichnet)
• Breite der Wasseroberfläche im Fetch
• Winddauer – die Zeit, in der der Wind über den Fetch geblasen hat
• Wassertiefe

Alle diese Faktoren wirken zusammen, um die Größe der Windwellen zu bestimmen:

• Wellenhöhe (vom Trog bis zum Scheitelpunkt)
• Wellenlänge (von Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt)
• Wellenperiode (Zeitintervall zwischen dem Eintreffen aufeinanderfolgender Scheitelpunkte an einem stationären Punkt)
• Wellenausbreitungsrichtung

Eine voll entwickelte See hat die maximale Wellengröße, die bei einem Wind einer bestimmten Stärke und einem bestimmten Fetch theoretisch möglich ist. Bei weiterem Einwirken dieses spezifischen Windes würde ein Energieverlust in Höhe des Energieinputs eintreten, der zu einem stabilen Zustand führt, und zwar aufgrund der Energiedissipation durch die Viskosität und das Brechen der Wellenberge als „Schaumkronen“. Wellen in einem bestimmten Gebiet haben in der Regel eine bestimmte Höhe. Für die Wetterberichterstattung und die wissenschaftliche Analyse von Windwellenstatistiken wird ihre charakteristische Höhe über ein Zeitintervall gewöhnlich als signifikante Wellenhöhe ausgedrückt. Diese Zahl stellt die durchschnittliche Höhe des höchsten Drittels der Wellen in einem bestimmten Zeitraum (in der Regel im Bereich von 20 Minuten bis zwölf Stunden) oder in einem bestimmten Wellen- oder Sturmsystem dar. Die signifikante Wellenhöhe ist auch der Wert, den ein „geschulter Beobachter“ (z. B. von einer Schiffsbesatzung) aus der visuellen Beobachtung eines Seegangs schätzen würde. Angesichts der Variabilität der Wellenhöhe dürften die größten Einzelwellen etwas weniger als das Doppelte der signifikanten Wellenhöhe betragen.

Quellen für die Erzeugung von WindwellenEdit

Windwellen werden durch Wind erzeugt. Andere Arten von Störungen, wie z. B. seismische Ereignisse, können ebenfalls Schwerewellen verursachen, aber sie sind keine Windwellen und führen im Allgemeinen nicht zu Seegang. Die Erzeugung von Windwellen wird durch die Störungen des Seitenwindfeldes an der Wasseroberfläche ausgelöst.

Setzt man jedoch eine flache Wasseroberfläche (Beaufort-Skala 0) und abrupte Seitenwindströmungen auf der Wasseroberfläche voraus, so lässt sich die Entstehung von Oberflächenwindwellen durch zwei Mechanismen erklären, die durch normale Druckschwankungen turbulenter Winde und parallele Windscherungsströmungen ausgelöst werden.

Oberflächenwellenbildung durch WindeBearbeiten

Aus „Windschwankungen“: Die Bildung von Windwellen wird durch eine zufällige Verteilung des Normaldrucks ausgelöst, der durch den Wind auf das Wasser wirkt. Bei diesem von O.M. Phillips 1957 vorgeschlagenen Mechanismus ist die Wasseroberfläche zunächst in Ruhe, und die Entstehung der Welle wird durch turbulente Windströmungen und dann durch Schwankungen des auf die Wasseroberfläche wirkenden Windnormaldrucks ausgelöst. Durch diese Druckschwankungen entstehen Normal- und Tangentialspannungen, die das Wellenverhalten an der Wasseroberfläche erzeugen.

Die Annahmen dieses Mechanismus sind wie folgt:

1. Das Wasser ist ursprünglich in Ruhe;
2. Das Wasser ist nichtviskos;
3. Das Wasser ist irrotierend;
4. Der Normaldruck auf die Wasseroberfläche durch den turbulenten Wind ist zufällig verteilt; und
5. Korrelationen zwischen Luft- und Wasserbewegungen werden vernachlässigt.

Die Annahmen dieses Mechanismus sind:

Gemeinsam treten diese Wellenbildungsmechanismen an der Meeresoberfläche auf und lassen Windwellen entstehen, die schließlich zu voll entwickelten Wellen heranwachsen. Nimmt man eine sehr flache Meeresoberfläche (Beaufort-Zahl, 0) an, über die eine plötzliche Windströmung gleichmäßig weht, so würde der physikalische Wellenbildungsprozess folgendermaßen ablaufen:

1. Turbulente Windströmungen bilden zufällige Druckschwankungen an der Meeresoberfläche. Kleine Wellen von einigen Zentimetern Wellenlänge werden durch die Druckschwankungen erzeugt (Phillips-Mechanismus).
2. Der Seitenwind wirkt weiter auf die zunächst fluktuierte Meeresoberfläche ein. Dann werden die Wellen größer, und dabei nehmen die Druckunterschiede zu, und die daraus resultierende Scherinstabilität beschleunigt das Wellenwachstum exponentiell (Miles-Mechanismus).
3. Die Wechselwirkung zwischen den Wellen an der Oberfläche erzeugt längere Wellen (Hasselmann et al., 1973), und diese Wechselwirkung überträgt Energie von den kürzeren Wellen, die durch den Miles-Mechanismus erzeugt werden, auf solche, die etwas niedrigere Frequenzen haben als bei den Spitzenwellenstärken. Letztendlich wird die Wellengeschwindigkeit höher als die des Seitenwindes (Pierson & Moskowitz).

• (Anmerkung: Die meisten der aus der Wellenlänge geteilt durch die Periode berechneten Wellengeschwindigkeiten sind proportional zur Quadratwurzel der Länge. Mit Ausnahme der kürzesten Wellenlänge folgen die Wellen also der im nächsten Abschnitt beschriebenen Tiefwassertheorie. Die 8,5 m lange Welle muss sich entweder im flachen Wasser oder zwischen tief und flach befinden.)