Tsunami – de onstuitbare golf

Vloedgolven richten soms enorme verwoestingen aan. Het zijn dan ook niet zomaar gewone golven in het groot. Langzaam wordt duidelijk dat hun bijzondere eigenschappen voor technologische omwentelingen kunnen zorgen. Zelfs onze spierbewegingen zouden op een soort vloedgolfjes berusten.

door

Op sommige plaatsen in Chili waren hele straten in bodemscheuren verdwenen. In Concepción en Valdivia waren alle gebouwen als kaartenhuizen ingestort. Aan de kust sloegen zelfs boten los van hun ankerplaatsen. Enkele daarvan zonken. Maar na meer dan vierhonderdduizend huizen met de grond gelijk te hebben gemaakt, was de aardbeving tenslotte uitgewoed.

En toch was de paniek nog lang niet afgelopen. Want twaalfduizend kilometer verderop, in Hawaii, hadden oceanografen de gegevens binnengekregen van seismische waarnemingsstations rond de gehele Stille Oceaan. Daaruit viel op te maken dat het epicentrum van de beving zich bij Ancud had bevonden, precies aan de Chileense kust. Het geweld van de beving zou dus ook de zeebodem in beweging hebben kunnen brengen. In dat geval was een monsterlijke vloedgolf, een tsunami, te verwachten.

En inderdaad: vijftien uur later teisterde een twaalf meter hoge vloedgolf Hawaii. Eénenzestig mensen verdronken. Zeven uur daarna beukte de muur van water tegen de Japanse eilanden Honsju en Hokkaido. Daar kwamen 199 mensen om.

Het Tsunami Warning System is een samenwerkingsverband van 26 landen rond de Stille Oceaan. Hier is in een kaart aangegeven waar het TWS zijn waarnemingsstations heeft staan. Ook is aangegeven hoe lang een tsunami erover zou doen om van een bepaalde plek naar Honolulu te reizen. Klik op de afbeelding voor een grotere versie

De tsunami die zich voordeed na de Chileense aardbeving van 22 mei 1960 was nog niet eens de meest verwoestende. Sinds het begin van de geschiedschrijving zijn meer dan tweehonderd van dergelijke vloedgolven opgetekend. Sommige daarvan waren meer dan dertig meter hoog. De vloedgolf die optrad na de uitbarsting van de vulkaan de Krakatau in 1883, eiste 36.000 mensenlevens. Een vloedgolf die in 1703 het Japanse Awa trof, doodde 100.000 mensen.

Ondanks al hun vernietigende kracht zijn tsunami’s nooit goed bestudeerd. Geen wonder, want er is natuurlijk wel iets anders te doen als er een vloedgolf dreigt. Hun voornaamste eigenschap, het vermogen om tienduizenden kilometers af te leggen zonder ook maar iets in kracht af te nemen, was dan ook lange tijd een raadsel. Pas de laatste jaren is de wetenschap echt in het verschijnsel geïnteresseerd. In het klein blijken tsunami’s onder meer verantwoordelijk te zijn voor een vorm van energietransport in levende cellen.

Voor communicatiedoeleinden kunnen ze als informatiedragers door glasvezelverbindingen worden verstuurd. Alleen de naamgeving is daarbij anders. In wetenschappelijk verband wordt dan gesproken over enkelvoudige, of solitaire golven. Omdat ze sommige eigenschappen met lichtdeeltjes, of fotonen, gemeen hebben, noemt men ze ook wel solitonen.

Hier botsen twee bijna-solitaire golven op elkaar in ondiep water. bron: T. Toedtemeier

De eerste die zo’n enkelvoudige golf waarnam, was de Schotse ingenieur John Scott Russel. In 1834 reed hij langs een trekvaart in de buurt van Edinburgh en zag hoe een boot, die door twee paarden werd voortgetrokken, plotseling stopte. “Voor de boeg van het vaartuig deed zich een heftige beweging in het water voor,” schreef Scott Russel. “Er ontstond één enkele golf, die zich met grote snelheid voortbewoog.” Zonder van vorm te veranderen en zonder in snelheid af te nemen, plantte de golf zich door het water voort.

Russel gaf zijn paard de sporen en volgde het merkwaardige golfverschijnsel over een afstand van drie kilometer. Daarna moest hij het opgeven vanwege de vele bochten in de vaart. “Ook toen nog rolde hij steeds voort, met een snelheid van zo’n vijftien kilometer per uur. Nog steeds was hij niet van vorm veranderd.”

John Scott Russel

Snelheid van een jumbojet

“Tegen zeven uur ’s ochtends hoorde ik een gedreun alsof rotsblokken vanaf grote hoogte naar beneden kamen,” herinnerde zich Evelyn Crabb, die onderwijzeres was op een school in Laupahoehoe op Hawaii. De vrouw keek uit het raam en zag de oceaan op haar hut afkomen. De eerste golf stopt voor de huisdeur. Maar de tweede rukt het huis van zijn fundament. “De keuken met mij erin werd zeven meter in de lucht geheven. We denderden als een stoomwals over de toppen van de palmbomen. Alleen doordat we tegen een stenen muur bleven steken, werden we niet naar zee teruggespoelt.” Crabb had geluk. De hut naast de hare, met drie daarin drie van haar collega’s, verdween spoorloos.

Net als een tsunami behield de voortrollende watermassa zijn vorm en snelheid dus veel langer dan een gewone golf. Scott Russel realiseerde zich het belang hiervan. Met zulke energierijke golven zou het mogelijk moeten zijn water door een kanaal omhoog te stuwen! Jammer genoeg kon geen van zijn tijdgenoten zoiets begrijpen. Alleen twee Nederlanders, Diederik Johannes Korteweg en Gustav de Vries, bleken in 1895 in staat een wiskundige verklaring te geven voor het verschijnsel. Maar omdat ook daaraan niemand een touw kon vastknopen, raakte de solitaire golf voor lange tijd in de vergetelheid.

Waarom was het zo moeilijk om het langdurige karakter van de solitaire golf te begrijpen? Iedereen die wel eens een steen in het water geworpen heeft, weet uit ervaring dat gewone golven zich op een andere manier gedragen. Steeds geeft dat hetzelfde beeld. Niet het water zelf, maar een golfbeweging verplaatst zich cirkelvormig vanaf het inslagpunt. En naarmate die cirkels groter worden, dempen de golftoppen steeds verder uit.

Ook alle andere golfverschijnselen gedragen zich op die manier. Als een muziekinstrument wordt bespeeld, planten de geluidsgolven zich voort door de lucht. Daarbij worden luchtmoleculen in trilling gebracht. Nooit wordt de lucht zelf verplaatst. Een radio- of televisiestation straalt op precies dezelfde manier elektromagnetische energie rondom zich uit.

Ook in deze gevallen worden de golven zwakker naarmate ze zich verder van de bron verwijderen. De melodie wordt slechter hoorbaar. Het radio- of televisiesignaal verzwakt. In dit verband is het langdurige karakter van een solitaire golf dus een regelrechte abnormaliteit. Terwijl overal in de natuur een neiging tot verzwakking bestaat, trekken solitaire golven zich daar ogenschijnlijk niets van aan.

Twee solitaire golven bewegen zich onafhankelijk van elkaar van links naar rechts over het water (midden rechts en boven links). De golffronten zijn ruwe parabolen en de golven vloeien berafwaarts in een experimentele golfgeleider. bron: prof. A.E. Siegman, universiteit van StanfordKlik op de afbeelding voor een grotere versie

Wat Korteweg en de Vries zich realiseerden, is dat waarnemingen van gewone golven slechts een totaalbeeld laten zien. Op microscopische schaal is elke golf immers een samenspel van ontelbare kleine trillingen. Elk van deze trillingen veroorzaakt op zich een minuscule golf. Vallen deze golfjes samen, dan versterken ze elkaar tot een veel grotere golf. Door heel kleine verschillen in de trillingen bewegen zij zich echter met verschillende snelheden voort.

Na verloop van tijd lopen de golfjes daarbij steeds meer uit de pas. Net zoals auto’s die zich op een snelweg verspreiden naarmate een snelheidslimiet ontbreekt of er geen politie in de buurt is, verzwakt daardoor de golf. Een solitaire golf beschikt daarentegen over een eigen, interne politieagent. Telkens als een van de kleine golfjes vooruit loopt, of te veel achterop raakt, wordt hij naar de grotere massa teruggestuurd.

De wiskundige vergelijkingen die Korteweg en De Vries voor hun verklaring gebruikten, waren niet-lineaire differentiaalvergelijkingen. In een lineair systeem vloeit een verandering uit een voor de hand liggende oorzaak voort. In een niet-lineair systeem is dat niet het geval. Vaak zijn de vergelijkingen daardoor bijna niet op te lossen. Zonder wrijving is het bijvoorbeeld eenvoudig de energie te berekenen die nodig is voor het versnellen van een ijshockeypuck.

Mét wrijving is dat een stuk ingewikkelder. De hoeveelheid energie die dan nodig is, hangt namelijk af van de snelheid waarmee de puck reeds beweegt. En die snelheid is op zijn beurt óók weer afhankelijk van de wrijving.

Pas in 1965, na de ontwikkeling van de computer, probeerde een natuurkundige van de Amerikaanse Princeton-universiteit het opnieuw. In een nagebootste vorm liet Martin Kruskal twee solitaire golven op elkaar botsen. Het resultaat, dat toen uit de computer rolde, was verbijsterend.

Verwacht zou worden dat de golftoppen door de botsing uit elkaar zouden vallen. In plaats daarvan kwamen ze intact te voorschijn en bewogen zich daarna weer met hun oorspronkelijke snelheid voort. Het leek dus alsof elke golf zijn eigen identiteit had, die hij ook tijdens de botsing bewaarde. Zo’n indruk maakte deze computersimulatie dat Kruskal en zijn collega’s de solitaire golf een nieuwe naam gaven: het soliton. Niet toevallig klinkt soliton als foton, proton of neutron.

Ook deze bouwstenen uit de natuur vertonen golfeigenschappen, terwijl ze toch een volkomen eigen identiteit handhaven.

Een computersimulatie met botsende solitaire golven. Waar de golven botsen vindt een merkwaardige vertraging plaats. Na de botsing vervolgen de golven echter ongestoord hun weg.

Plotseling was de solitaire golf razend populair. Andere onderzoekers ontdekten dat solitonen zich niet alleen voortplanten over een wateroppervlak, maar ook door gassen en zelfs door vaste stoffen. Met name in de telecommunicatie lijkt één toepassing daardoor heel spectaculair. Kunnen lichtsignalen eenmaal als solitonen door glasvezelverbindingen worden verstuurd, dan zijn de mogelijkheden voor informatieoverdracht praktisch onbegrensd.

Momenteel verzwakt immers nog zo’n signaal en moet dit met behulp van tussenversterkers van tijd tot tijd worden ‘opgepept’. Ook bij optische computers hoopt men op die manier razendsnelle en niet te storen verbindingen tot stand te brengen.

Maar zo mogelijk nog wonderlijker is de ontdekking dat de tsunami’s-in-het-klein zich mogelijk ook overal door ons lichaam spoeden. Tijdens een bijeenkomst van de Newyorkse Akademie van Wetenschappen in 1973, spraken de biochemici David Green en Sunghchul Ji over wat zij toen nog noemden een conformon. Dit energiepakketje zou de mogelijkheid hebben zich met grote snelheid voort te planten door een dicht netwerk van lichaamscellen.

Op microscopische schaal bekeken lijken eiwitten in onze lichamen op gewichtjes die door veren met elkaar zijn verbonden. Elk eiwitmolecuul is opgebouwd uit een ‘ruggengraat’ van koolstof-, waterstof-, stikstof- en zuurstofatomen. Om die ruggengraat vibreren honderden gewichtjes: zijketens van verbindingen. “Kunnen,” vroegen Green en Ji zich af, “al die trillende zijketens niet van belang zijn voor een biologisch energietransport?”

In die tijd dachten biochemici nog dat de voorgestelde trillingsenergie binnen een biljoenste van een seconde zou verzwakken. Green had het daarna nooit meer over conformonen. Maar Ji ging verder en ontdekte dat op die manier ook kon worden verklaard hoe bepaalde spiergroepen samentrekken. Volgens de standaardtheorie, trekken spieren samen als de spiervezels op een of andere manier voortdurend naar elkaar toe worden getrokken.

Een elektrochemische verklaring faalt op dit gebied. Elke aantrekking tussen twee tegengesteld geladen moleculen wordt immers teniet gedaan op het moment dat die met elkaar in contact komen en neutraliseren. Maar als ze net als een veer heen en weer trillen, kunnen ze wél voortdurend samentrekken. Volgens Ji moeten de spiersamentrekkingen dan ook een gevolg zijn van solitonen die zich heen en weer langs de eiwitmoleculen spoeden.

Een vreemd idee trouwens, dat een zo verwoestend natuurverschijnsel als een tsunami in het klein van zo’n groot belang kan zijn voor al onze bewegingen. En de verrassingen op dit gebied zijn kennelijk nog niet ten einde. Want sommige biochemici vermoeden reeds dat zenuwimpulsen niets anders zijn dan solitonen die de prikkels van en naar de hersenen geleiden. Andere hebben DNA-dubbelspiralen bestudeerd en menen dat deze zich als ritssluitingen openen en sluiten doordat solitonen er doorheen pulseren. Als dat werkelijk zo gaat, worden dus onze erfelijke eigenschappen door de merkwaardige golfbewegingen bepaald.