DIE ERDE BEBT, WANN SIE WILL

Frühwarnsysteme helfen, den Schaden zu begrenzen

Erdbeben zählen zu den großen Naturereignissen, die mit keiner Technik zu beein­flussen sind. Mit zunehmender Verstädterung und Bevölkerungsdichte werden bald drei Milliarden Menschen in erdbebengefährdeten Gebieten leben. Aus den Messun­gen von Bodenerschütterungen lassen sich jedoch noch immer keine Aussagen ab­leiten, wann etwa das nächste größere Beben zu erwarten ist. Viele Wissenschaftler sind überzeugt davon, daß dies auch so bleiben wird, denn möglicherweise handelt es sich bei der Erdkruste um ein„chaotisches System“, für das langfristige Progno­sen unmöglich sind. Andere Experten meinen dagegen, daß sich in den Daten den­noch Muster und Strukturen erkennen lassen, deren genauere Analyse Aufschluß über die Wahrscheinlichkeit eines größeren Bebens geben kann.

Auch der Potsdamer Geophysiker Prof. Dr. Jochen Zschau vom GeoForschungsZen­trum(GFZ) konnte schon oft beobachten, daß sich größere Erdbeben durch die soge­nannte seismische Ruhe, eine Art„Ruhe vor dem Sturm“, ankündigen. Nun haben sich zwei junge Physiker unter der Leitung von Prof. Dr. Jürgen Kurths an der Universität Potsdam im Rahmen des Sonderforschungs­bereichs„Komplexe Nichtlineare Prozesse“ mit diesem Problem beschäftigt.

Gert Zöller arbeitet mit den Erdbeben­katalogen der Gruppe Zschau und ver­sucht, darin Hinweise auf den„seismischen Zyklus“ zu finden und diesen etwas präziser zu Charakterisieren. Qualitativ läßt sich der iypische Ablauf zwischen zwei Beben so beschreiben: Nach dem großen Beben und einigen Nachbeben kommt das System zunächst zur Ruhe, erholt sich langsam, zeigt dann wieder eine normale Aktivität, bevor es in eine erneute Ruhephase eintritt, während derer Spannung und Druck in der Erdkruste anwachsen, bis sich die gesam­te Energie im nächsten Hauptbeben ent­lädt. Die Dauer dieser einzelnen Phasen und ihr genauer Verlauf scheinen keinen bekannten Gesetzmäßigkeiten zu folgen. In den unregelmäßigen Ausschlägen sind auf den ersten Blick keinerlei Muster und Struk­turen zu erkennen. Erst mit Methoden aus der Nichtlinearen Dynamik zeigen sich doch Regelmäßigkeiten, die sich im Dik­kicht der zufälligen Schwankungen verstek­ken.„Ich mache eine Art Rückschau und versuche, daraus etwas über die Vorhersag­barkeit abzuleiten. Vor allem versuche ich eine Referenzseismizität zu konstruieren, also beispielhafte Kurven für‘Normale Er­schütterungen',‘Seismische Ruhe’ und die Zwischenphasen‘“, erklärt Zöller. Erst wenn mit Hilfe solcher Referenzphasen die einzel­nen Stadien identifiziert sind und sich in genügend vielen Fällen die Hypothese be­stätigt, daß auf eine Ruhe das große Beben folgt, wird sich die Methode auch zur Erd­bebenvorhersage einsetzen lassen.

Erdbeben verstehen Sebastian Hainzl packt das Problem von der anderen Seite an. Er berechnet die Schwin­

gungen eines künstlichen Systems, einem stark vereinfachten Modell der Erdkruste: Zwei Platten bewegen sich gegeneinander. Sie sind durch Blöcke getrennt, welche an der unteren Platte haften und mit der oberen durch Zugfedern verbunden sind. Auch un­tereinander sind die Blöcke durch Federn gekoppelt. Die Bewegung wird also durch die Haftreibung gehemmt, während die Fe­dern immer mehr unter Zugspannung gera­ten. Erst wenn die Spannung der Zugfedern zu groß wird, geht es ruckartig vorwärts. Das ist das Beben. Schon dieses simple Modell zeigt einige der typischen Erdbebenmuster und besitzt, wie von vielen Wissenschaftlern vermutet, die Eigenschaft der„selbstorgani­sierten Krnitizität“: Wie von selbst manövriert es sich immer wieder in einen labilen Zu­stand hinein, in welchem dann kleinste Zu­fälle entscheiden, ob es zum großen Beben kommt oder ob sich die Energie in vielen un­dramatischen Erschütterungen freisetzt. Solche Erdbeben im Computer können da­her Aufschluß über die Mechanismen ge­ben, die bei wirklichen Erdbeben eine Rol­le spielen. Der Begriff„Selbstorganisierte Kritizität“ gehört zum Inventar der Chaos­forschung. Aber, ob die Erdkruste wirklich ein chaotisches System ist, ist damit noch nicht gesagt.„Dazu reichen die Daten allein nicht aus“, sagt Zöller vorsichtig. Wenn dem so wäre, würde es auch nicht bedeuten, daß Erdbebenvorhersagen grundsätzlich un­möglich sind. Wenn es gelingt, die Muster und Mechanismen besser zu verstehen, wären zumindest kurzfristige Prognosen denkbar.

Frühwarnsystem für Istanbul

Im Moment sind solche Vorwarnungen je­doch noch Zukunftsmusik. Erst wenn die Erde bebt, sind sich Wissenschaftler wirk­lich sicher. Durch sofortige Warnungen kann dann die Katastrophe eingedämmt werden. An einem solchen Frühwarnsystem für die Megastadt Istanbul arbeitet der Geowissenschaftler Prof. Dr. Jochen Zschau zusammen mit Wissenschaftlern türkischer Forschungseinrichtungen. Istanbul liegt in einer stark erdbebengefährdeten Region, die inzwischen mit über 16 Millionen Men­

Das Seismometer wird durch Solarzellen mit Strom versorgt und funkt die Daten drahtlos an die nächste Station. Foto: GFZ

schen besiedelt ist und fast die Hälfte zur Wirtschaftskraft der Türkei beiträgt. In den letzten 2000 Jahren gab es fast jedes Jahr­hundert ein großes Erdbeben, zuletzt wur­de Istanbul 1894 in Schutt und Asche ge­legt. Die geologische und tektonische Situa­tion ist ungünstig, da die Zentren der Beben in der Regel weniger als hundert Kilometer von Istanbul entfernt liegen. Wenn in den seismischen Stationen ein Beben gemes­sen wird, bleibt für die Frühwarnung daher nur wenige Sekunden Zeit: Solange brau­Chen die zerstörerischen Sekundär- und Oberflächenwellen, um sich vom Mittel­punkt des Bebens bis nach Istanbul fortzu­pflanzen. In diesen Sekunden müssen Gas­leitungen geschlossen, Chemiewerke run­tergefahren und der Verkehr auf der Bospo­rusbrücke gestoppt werden. Zschau arbei­tet gemeinsam mit seinen türkischen Kolle­gen an der Berechnung der Bodenerschüt­terungen in Istanbul, die bei verschiedenen Arten von Beben auftreten würden. Diese Szenarien, in die viel Wissen über Boden­beschaffenheit, Grundwasserspiegel, aber auch Infrastruktur der einzelnen Stadtvier­tel einfließt, sollen in einer Datenbank abge­speichert und im Ernstfall sofort an die Katastrophenmanager weitergegeben wer­den. Je nachdem ob in einem Viertel eine Fabrik steht, ein Kraftwerk oder eine Schu­le müssen automatisch geeignete Maßnah­men anlaufen, um den Schaden zu begren­zen. Außerdem wollen Zschau und seine Kollegen ein dichteres Netz von seismi­schen Meßstationen in der Region um Istan­bul legen. Dadurch und durch geschickte Kombination von Meßergebnissen sollen die Epizentren und Stärken von Beben schneller als bisher ermittelt werden. Denn je genauer und schneller die Frühwarnun­gen sind, desto besser läßt sich auf die Ka­tastrophe reagieren. ar

PUTZ 7/98

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