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Erdbeben

Als Erdbeben werden messbare Erschütterungen der Erdoberfläche bezeichnet. Der deutlich größte Anteil aufgezeichneter Erdbeben ist jedoch zu schwach, um von Menschen wahrgenommen zu werden. Auch andere Bewegungen der Erdoberfläche, wie etwa durch Tidenhub oder durch Eigenschwingungen der Erde (Erdspektroskopie) sind nicht fühlbar, da sie zu langsam erfolgen oder zu schwach sind.

Starke Erdbeben können Häuser und Bauten zerstören, Tsunamis und Erdrutsche auslösen und dabei Menschen töten. Sie können die Gestalt der Erdoberfläche verändern und zählen zu den Naturkatastrophen.

Unterseeische Erdbeben werden auch als Seebeben bezeichnet. Die Wissenschaft, die sich mit Erdbeben befasst, heißt Seismologie.

Erdbebenherd

Durch Vergleich der Ankunftszeiten der seismischen Wellen eines Erdbebens in weltweit verteilten Observatorien (Seismographen) kann im Rahmen der physikalisch bedingten Unschärfe auf die Position des Hypozentrums als Quelle der Wellen geschlossen werden. Das Hypozentrum wird entsprechend auch als Erdbebenherd bezeichnet. Der Ort auf der Erdoberfläche direkt über dem Hypozentrum heißt Epizentrum. Die Quelle der seismischen Wellen kann sich im Laufe eines Bebens verschieben, weshalb nach internationaler Übereinkunft die zuerst gemessene Position als Hypozentrum und die Position auf der Erdoberfläche darüber als Epizentrum definiert sind. Die Fläche an der Erdoberfläche, unter der sich der Erdbebenherd während des Bebens bewegt hat, wird als Herdfläche bezeichnet.

Entstehung von Erdbeben

Erdbeben entstehen durch dynamische Prozesse der Erde. Eine Folge davon ist die Plattentektonik, also die Bewegung der Lithosphärenplatten, welche die Erdkruste und den obersten Erdmantel umfassen.

Nach einem in den Medien gern rezitiertem Modell der tektonischen Beben kommt es insbesondere an den Plattengrenzen, wo sich verschiedene Platten auseinander (Spreizungszone), aufeinander zu (Kollisionszone) oder aneinander vorbei (Transformverwerfung) bewegen, zum Aufbau gewaltiger Spannungen innerhalb des Gesteins, wenn sich die Platten in ihrer Bewegung verhaken und verkanten. Wird die Scherfestigkeit der Gesteine überschritten, entladen sich dann plötzlich diese Spannungen durch ruckartige Bewegungen der Erdkruste und es kommt zum tektonischen Beben. Die dabei freigesetzte Energie kann die einer Wasserstoffbombe um das Hundertfache übertreffen. Da die aufgebaute Spannung nicht auf die unmittelbare Nähe der Plattengrenze beschränkt ist, kann der Entlastungsbruch in seltenen Fällen auch im Inneren der Platte auftreten, wenn das Krustengestein eine Schwächezone aufweist.

Eine Voraussetzung für das Auftreten von Erdbeben ist demnach das Vorhandensein spröden, bruchfähigen Gesteins. Die Temperatur nimmt im Erdinneren jedoch stetig zu, wodurch das Gestein mit zunehmender Tiefe immer weniger spröde reagiert und schließlich deformierbar wird. Erdbeben sind daher meist auf die obere Schicht der Erdkruste beschränkt (siehe Hypozentrum). Manchmal lassen sich Beben bis in Tiefen von bis zu 700 km lokalisieren. Dieser scheinbare Widerspruch wird durch die Subduktion von Lithosphärenplatten erklärt: Kollidieren zwei Platten, wird die dichtere der beiden unter die leichtere gedrückt und taucht in den Erdmantel ab. Es wird postuliert, dass die Erwärmung des Gesteins der abtauchenden Platte (auch als Slab bezeichnet) wesentlich langsamer voranschreitet als deren Abwärtsbewegung und dass darum das Krustenmaterial bis in die oben genannte Tiefen bruchfähig bleibt. Die Hypozentren innerhalb der abtauchenden Platte würden somit Rückschlüsse auf die Position des Slab in der Tiefe erlauben (sogenannte Benioff-Zone).

Das Modell der Benioff-Zonen ist eine mögliche Erklärung für Hypozentren in großen Tiefen, enthält aber die Gefahr einer zirkulären Argumentation: Um zu erklären, warum gewaltige Materialspannungen in großer Tiefe bei hoher Temperatur möglich sind, wird gesagt, dass die Temperatur in den Platten gar nicht so hoch sein kann, da sonst die hohen Materialspannungen nicht möglich wären.

Bei Erdbeben verschieben sich die tektonischen Platten, aber vielleicht ist das die Folge einer anderen, bisher unbekannten Ursache, und liegt nicht an gewaltigen Spannungen in den Platten, die sich über lange Zeit hinweg aufbauen. Infolge der Gezeiten arbeiten die Platten, was einen Aufbau von statischen Spannungen behindern würde. Erkenntnisse über die Ursache von Erdbeben könnten sich zukünftig aus einem Zusammenhang zwischen Erdbeben und dem Erdmagnetfeld ergeben. Ein Zusammenhang zwischen den fluiden Strömungen im Erdinneren, dem elektromagnetischen Feld der Erde und Erdbeben ist mit dem Modell der tektonischen Beben nur schwer herzustellen. Es bietet trotz aufwendiger Forschungen bisher keine Möglichkeit der Erdbebenvorhersage, ist damit nicht falsifizierbar und, zynisch gesagt, wissenschaftstheoretisch als Folklore einzustufen. Es entspricht andererseits den ergonomischen Bedürfnissen der Medien nach naiver Verständlichkeit und wurde durch die Berichterstattung der Massenmedien bei Naturkatastrophen ideologisiert.

Erdbeben können ferner z.B. durch den Aufstieg von Magma unterhalb von Vulkanen ausgelöst werden oder auch durch Förderung von z.B. Erdgas, da die Druckveränderung wiederum auch die Spannungsverhältnisse im Gestein beeinflusst. Weiter können Erdbeben auch durch einstürzende unterirdische Hohlräume im Bergbau entstehen (Gebirgsschlag). Sowohl vulkanische Beben als auch Gebirgsschläge sind jedoch von der Energiefreisetzung weitaus limitierter als tektonische Beben.

Erdbeben erzeugen verschiedene Typen von Erdbebenwellen, die sich durch die ganze Erde ausbreiten und von Seismographen (bzw. Seismometern) überall auf der Erde aufgezeichnet werden können. Die mit starken Erdbeben einhergehenden Zerstörungen (z.B. Gebäudeschäden, Spaltenbildung) an der Erdoberfläche sind auf die sogenannten Oberflächenwellen zurückzuführen, die eine elliptische Bodenbewegung auslösen.

Durch Auswertung der Stärke und Laufzeiten von Erdbebenwellen kann nicht nur die Position des Erdbebenherdes bestimmt werden, sondern es werden auch Erkenntnisse über das Erdinnere gewonnen. Die Positionsbestimmung unterliegt als Messung an Wellen der gleichen Unschärfe, die aus Wellenphänomenen in anderen Bereichen der Physik bekannt sind. Im Allgemeinen nimmt die Unschärfe der Ortsbestimmung mit zunehmender Wellenlänge zu, das bedeutet: Eine Quelle von langperiodischen Wellen kann nicht so genau lokalisiert werden wie eine Quelle von kurzperiodischen Wellen. Da schwere Erdbeben den größten Teil ihrer Energie im langperiodischen Bereich entwickeln, kann besonders die Tiefe der Quelle nicht genau bestimmt werden.

Die Seismogramme sind Aufzeichnungen der Erdbebenwellen.

(1) Atombombenexplosion auf Mururoa, 5.9.1995, Magnitude 4,8,

(2) Starkes Erdbeben bei den Nikobaren, 24.7.2005, Magnitude 7,3,

(3) Erdbeben indischer Ozean ("Tsunami-Erdbeben"), 26.12.2004, Magnitude 9,3.

Die oben gezeigten Seismogramme sollen einen visuellen Eindruck unterschiedlicher Magnituden vermitteln und wurden nicht nach wissenschaftlichen Aspekten ausgewählt.

Durch unterseeische Erdbeben, bei der Eruption ozeanischer Vulkane oder durch unterseeische Erdrutsche können so genannte Tsunamis ausgelöst werden. Das ist dann möglich, wenn die vertikale Bewegung der Erdplatten mindestens vier Meter beträgt und die Erdstöße eine gewisse Stärke auf der Richterskala erreichen. Durch die plötzliche vertikale Verlagerung großer Teile des Ozeanbodens entstehen Wellen, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 800 Kilometer pro Stunde fortbewegen. Auf dem offenen Meer sind Tsunamis kaum wahrnehmbar, gelangt die Welle jedoch in flacheres Wasser, kann sich der Wellenberg auf bis zu 100 Meter Höhe erheben. Am häufigsten entstehen Tsunamis im Pazifik. Deshalb besitzen die an den Pazifik angrenzenden Staaten ein Tsunami-Frühwarnsystem.

Erdbeben und Erdmagnetfeld

Bei Erdbeben kommt es möglicherweise zu Fluktuationen im Erdmagnetfeld, allgemeiner im elektromagnetischen Feld der Erde. Diese Schwankungen wurden beim Erdbeben der Stärke 8,3 in Chile im Mai 1960 zum ersten Mal beobachtet.

Das Phänomen wird derzeit (Jan. 2006) mit Hilfe des französischen CNES-Satelliten Demeter (Detection of Electro- Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) untersucht. Dieser Satellit sucht nach Änderungen des Magnetfeldes. Da Änderungen eines Magnetfeldes mit elektrischen Feldern verknüpft sind, wird faktisch nach sehr langwelliger Radiostrahlung, sogenannten Längstwellen, gesucht. Andere Forschungsgruppen versuchen dies mit stationären Detektoren, zum Beispiel die semiprivate "Earthquake Finder"-Gruppe in Kalifornien. Es herrscht noch Unklarheit, auf welchen Wellenlängen nach Anzeichen eines Erdbebens gesucht werden sollte. Im Bereich der U-Boot-Kommunikation könnten sich Längstwellen von Erdbeben als Störung des Funkverkehrs bemerkbar machen. Einrichtungen zur U-Boot-Kommunkation wie DHO38, Sanguine oder ZEVS nutzen den elektrischen Anteil der Längstwellen.

Sollte sich ein signifikanter Zusammenhang ergeben, kann dies möglicherweise zur Erdbebenvorhersage und für ein Frühwarnsystem genutzt werden.

Historisches

Schon in der Antike fragten sich Menschen, wie Erdbeben und Vulkanausbrüche entstehen.

Man schrieb diese Ereignisse häufig Göttern zu (in der griechischen Mythologie dem Poseidon). Manche Wissenschaftler im alten Griechenland glaubten, die Kontinente schwämmen auf Wasser und schaukelten wie ein Schiff hin und her. Andere Leute glaubten, Erdbeben brächen aus Höhlen aus. In Japan gab es den Mythos von einem Drachen, der den Erdboden erzittern ließ und auch noch Feuer spie, wenn er wütend war. Im europäischen Mittelalter schrieb man Naturkatastrophen dem Wirken Gottes zu. Mit der Entdeckung und Erforschung des Magnetismus entstand die Theorie, man könne Erdbeben wie Blitze ableiten. Man empfahl daher Erdbebenableiter nach Art der ersten Blitzableiter.

Erst Anfang des 20. Jahrhunderts kam die heute allgemein anerkannte Theorie von der Plattentektonik und der Kontinentaldrift durch Alfred Wegener auf. Ab der Mitte des 20. Jahrhunderts wurden die Erklärungsmuster der tektonischen Beben verbreitet diskutiert. Bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts konnten allerdings keine Möglichkeiten zur Vorhersage von Erdbeben daraus entwickelt werden.

Standortabhängige Erdbebenstärke (Intensitäten)

Die erste international benutzte Skala zur Erfassung und Einschätzung von Erdbeben war die zwölfteilige Mercalliskala. Sie beruhte vor allem auf der subjektiven Einschätzung der Erdbebenstärke und auf Beobachtungen (Makroseismik) und war dementsprechend ungenau. Später wurde sie zur MSK-Skala und zur EMS-98 Skala weiterentwickelt.

Standortunabhängige Erdbebenstärke (Magnituden)

Erst durch die Entwicklung von Seismographen konnten Erdbeben objektiv gemessen werden. Die Erdbebenstärke wird im allgemeinen mit der von Francis Richter eingeführten Richterskala angegeben (Lokalbeben Magnituden). Aufgrund der Ausbreitungseigenschaften von Erdbebenwellen gibt es heute eine ganze Reihe von Magnitudenskalen (Momentenmagnitude, Oberflächenwellenmagnitude), die auch ab und zu zu Verwechslungen führen können. Wegen der unterschiedlichen Methoden, mit denen diese verschiedenen Magnituden berechnet werden, sind teilweise erhebliche Diskrepanzen insbesondere bei automatisierter Berechnung unvermeidlich.

Erdbebenstärke über physikalische Größen

Bei größeren Erdbeben wird teilweise auch die freigesetzte Energie oder der Versatz an der Erdoberfläche angegeben.

Isoseisten

Linien mit gleicher Bebenstärke (EMS-Skala)

Vorhersage

Die zeitlich und räumlich exakte Vorhersage von Erdbeben ist nach dem heutigen Stand der Wissenschaft nicht möglich. Nach der gängigen Theorie des Spannungsbruchs tektonischer Platten sind die grundliegenden Prozesse des Spannungsaufbaus bis hin zum Entlastungsbruch des Gesteins werden von einer großen Zahl von physikalischen Parametern gesteuert. Die verschiedenen bestimmenden Faktoren sind qualitativ weitestgehend verstanden. Auf Grund des komplexen Zusammenspiels aber ist eine genaue Quantifizierung der Herdprozesse bislang nicht möglich, so dass üblicherweise nur Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten eines Erdbebens in deiner bestimmten Region genannt werden können.

Allerdings sind eine Reihe von Effekten bekannt, die oft im Vorfeld von Erdbebenereignissen beobachtet werden können und als Vorläuferphänomene bezeichnet werden. Einige davon äußern sich in der Veränderung geophysikalisch messbarer Größen, wie z.B. der seismischen Geschwindkeit, der Neigung des Erdbodens oder die elektromagnetischen Eigenschaften des Gesteins. Andere Phänomene basieren auf statistischen Beobachtungen, wie etwa das Konzept der seismische Ruhe, wo in einer potentiell gefährdeten Region über einen längeren Zeitraum die seismische Hintergrundaktivität, also das stetige Auftreten kleinerer Beben, abnimmt und auf ein bevorstehendes größeres Ereignis hindeutet.

Sowohl messbare als auch statistisch erfasste Vorläuferphänomene variieren jeweils sehr stark in ihrem zeitlichen Verlauf (bis hin zu Jahren) wie auch in ihrer Größenordnung. In vielen Fällen bleiben einzelne oder mehrere dieser Effekte auch ganz aus. Zudem wäre der instrumentelle Aufwand, der für eine lückenlose Erfassung dieser Phämone erforderlich wäre, nicht realisierbar, so dass die Möglichkeit einer exakten Vorhersage von Erdbeben für die nächste Zukunft nicht zu erwarten ist.

Wiederholt wurde auch von ungewöhnlichem Verhalten bei Tieren kurz vor größeren Erdbeben wie auch bei Tsunamis berichtet. So konnte im Februar 1975 in der Volksrepublik China ein drohendes Erdbeben durch die Sensibilisierung der Bevölkerung in Bezug auf ungewöhnliches Verhalten der Tiere vorab erkannt werden. Allerdings zeigten sich z.B. beim Tangshan-Beben vom 27. Juli 1976, bei dem es mehrere hundertausend Tote gab, im Vorfeld keinerlei Anzeichen von Verhaltensänderungen bei Tieren.

Gelegentliche Berichte von erfolgreichen Vorhersagen zeigen vor dem Hintergrund der Häufigkeit von Beben in der betreffenden Region in der Regel kaum statistische Signifikanz. So wurde z.B. von einem japanischen Wissenschaftler auf Grund eines elektromagnetischen Vorläuferphänomens für den Zeitraum 14. bis 19. September 2003 ein Erdbeben der Stärke 7 in Tokio vorhergesagt. Zwar trat am 20. September 2003 tatsächlich ein Erdbeben in Tokio auf, jedoch war die Magnitude um etwa 1,5 Größenklassen niedriger, was weniger als einem Hunderstel der vorhergesagten Energiefreisetzung entspricht. Ein weitaus stärkeres Beben (Magnitude 8), mit zwei starken Nachbeben (Mag. 5,8 und 7) ereignete sich eine Woche später, am 26. September, das Epizentrum lag jedoch in einiger Entfernung, ungefähr 80 km südöstlich vor der Küste der Hauptinsel Hokkaidô.

Wegen des volkswirtschaftlichen Schadens und eventueller Opfer (Massenpanik oder Massenhysterie) ist eine Frühwarnung der Bevölkerung vor einem einzelnen Erdbeben nur sinnvoll, wenn die Zahl der zu erwartenden Opfer des Erdbebens als sehr groß eingeschätzt wird, oder wenn das Erdbeben sehr genau in Raum und Zeit vorausgesagt werden kann. Das ist der jetzige Stand, der zur Zeit der oben erwähnten Beben in Japan beobachtet wurde. Sollten in Zukunft regelmäßige Erdbebenvorhersagen möglich sein, so wird sich die Bevölkerung ähnlich darauf einstellen, wie sie das heute bei extremen Wettervorhersagen tut.