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Besucher in der Erdbebenwarte am Profitis Ilias auf Santorin (Foto: Tobias Schorr)
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Erdbebenaufzeichnung auf Thermopapier (Foto: Tobias Schorr)
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Detail der Nadel, die auf Thermopapier die Erdbeben zeichnet (Foto: Tobias Schorr)
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Ein Seismogramm
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Seismograph
Der Seismograph ist das wichtigste Instrument zur Untersuchung von Erdbeben und zur Erforschung der tiefen Zonen des Planeten Erde. Er zeichnet die bei Erdbeben und auch die bei künstlichen Erschütterungen entstehenden seismischen Wellen auf. Für Geowissenschaftler sind moderne Seismographen das gleiche, was moderne Teleskope für Astronomen bedeuten. Sie sind ein unentbehrliches Instrument für die Untersuchung unerreichbarer Gebiete.
a) Funktion des Seismographen
b) Bestimmung der Erdbebenstärke
c) Wo ist das Epizentrum?
d) Vorwarnung
e) Erkundung des Unerreichbaren
A) Das Prinzip des Seismographen beruht darauf, dass eine Masse weitgehend entkoppelt vom Boden aufgehängt ist. Die locker verankerte Masse, das kann beispielsweise durch Aufhängen an einer Feder erfolgen, bleibt aufgund ihrer Massenträgheit weitgehend in Ruhe, wenn Bebenwellen den Boden erschüttern. Ein an der Masse befestigter Schreibstift zeichnet die Ausschläge auf einem, mit dem Boden verbundenen Registrierpapier auf und erstellt ein Seismogramm. Die Federaufhängung zeichnet vertikale Bodenbewegungen auf. Für horizontale Bodenbewegungen muß die Masse an einem Scharnier frei in der Waagerechten schwingen können, so dass zwei Typen von Seismographen notwendig sind, um alle Bewegungen zu erfassen. Bei modernen Seismometern werden neueste elektronische Verfahren angewendet, um die Bewegungsamplitude der Masse zu verstärken und um somit geringste, kaum spürbare Erschütterungen aufzuzeichnen. Durch seismische Wellen erzwungen, bewegen sich in einem modernen Seismometer eine Spule und ein Magnet relativ zueinander. Dadurch entsteht infolge von elektromagnetischer Induktion eine Spannung in der Spule: Sie ist ein Maß für die Schwingung. Die so erzeugte elektrische Spannung kann nun verstärkt und auf Magnetband oder digital aufgezeichnet werden.
B) Bestimmung der Erdbebenstärke. „Das Beben hatte eine Stärke von 6,5 auf der nach oben hin offenen Richter-Skala“ – ein typischer Satz aus den Medien. Was aber bedeutet 6,5 genau und um wie viel stärker ist ein Beben von 7,5 auf dieser Skala? Um eine einfache Aussage über die Stärke eines Erdbebens oder die freigesetzte seismische Wellenenergie treffen zu können, führte der kalifornische Seismologe Charles F. Richter in den dreißiger Jahren als Maß die Erdbebenmagnitude ein. Sie wird heute noch als Wert auf der Richter-Skala bezeichnet. Grundlage zur Berechnung ist der maximale Ausschlag, den ein Beben auf einem Seismogramm hinterlässt. Aufgrund der hohen Variationsbreite maximaler Amplituden komprimierte Richter diese mit Hilfe einer logarithmischen Skala. Somit unterscheiden sich Beben, die mit ihrer maximalen Amplitude um den Faktor 10 voneinander abweichen, in ihrer Magnitude um den Wert 1 auf der Richter-Skala. Ein Beben mit der Magnitude 5 bedeutet zehnmal stärkere Bodenbewegungen als bei Magnitude 4. Die freigesetzte Wellenenergie nimmt etwa um den Faktor 33 für jede weitere Magnitude zu. Für eine maximal mögliche Erdbebenstärke lässt sich keine obere Grenze bestimmen. Da die Magnituden von Richter 1935 in Südkalifornien mit einem bestimmten Seismographentyp festgelegt wurden, war eine weit verbreitete Anwendung des Verfahrens zunächst ausgeschlossen. Zur allgemeinen, globalen Anwendung wurden später Korrekturfaktoren entwickelt. Mit der Richter-Skala lässt sich nur die Stärke, nicht aber die zerstörende Wirkung eines Erdbebens beschreiben. So kann ein Erdbeben der Magnitude 7 oder mehr in unbewohntem Gelände kaum Zerstörungen hervorrufen, während ein zehnfach schwächeres Beben der Magnitude 6 unmittelbar unter einer Siedlung oder Großstadt zu schwersten Verwüstungen führt. Daher verwenden Seismologen für die Intensität eines Erdbebens, als Kennzeichen seiner zerstörerischen Auswirkungen, die modifizierte Mercalli-Skala. Die Intensitäten dieser Skala reichen von 1 bis 12 und beruhen auf statistisch ausgewerteten Geländebeobachtungen. Eine Intensität von 1 bedeutet, dass die Erschütterungen nicht bemerkbar sind und nur von Seismographen registriert werden. Eine Intensität von 12 bedeutet völlige Zerstörung.
C) Wo ist das Epizentrum? Das Epizentrum eines Erdbebens ist der Punkt auf der Erdoberfläche, der genau senkrecht über dem Erdbebenherd, also dem Ausgangspunkt des Bebens, liegt. Die Bestimmung des Epizentrums erfolgt, indem man zunächst die Differenz zwischen den unterschiedlich schnellen Erdbebenwellen ermittelt, die vom Erdbebenherd ihren Ausgang nehmen. Dies sind die Primär- oder P-Wellen und die etwa halb so schnellen Sekundär- oder S-Wellen. Man überträgt die Differenz auf ein spezielles Diagramm mit einer Zeit- und Entfernungsskala und liest hierauf die dem Zeitunterschied entsprechende Entfernung ab. Anschließend werden die ermittelten Daten von mindestens drei Beobachtungsstationen in einer Karte verzeichnet. Dabei schlägt man um jede der Stationen einen Kreis, dessen Radius die ermittelte Entfernung zum Epizentrum ist. Der Schnittpunkt der Kreise ergibt die Lage des Epizentrums.
D) Vorwarnung. Weltweit arbeiten Seismologen am Problem der Erdbebenvorhersage. Als mögliche Symptome für ein bevorstehendes Erdbeben werden die Häufung von kleineren Vorbeben, eine rasche Neigungsänderung oder andere auffällige Veränderungen der Erdoberfläche, Veränderungen in der elektrischen Leitfähigkeit von Gesteinen oder Veränderungen im Wasserspiegel von Brunnen in Betracht gezogen. Man hat Kombinationen all dieser Phänomene vor einem Beben beobachtet. Tatsächlich wurde durch die Beachtung all dieser Phänomene sowie durch die zusätzliche Beobachtung von auffälligem Tierverhalten das Erdbeben von Haicheng im Jahr 1975 in China vorhergesagt. Die notwendige Verlässlichkeit dieser Phänomene zur allgemein gültigen Vorhersage von Beben wurde bislang jedoch nicht erreicht. Das Tangshanbeben von 1976 konnte von den Chinesen damit nicht genau genug vorhergesagt werden; 250 000 Menschen kamen ums Leben. In Gebieten, wo langfristige Beobachtungen über Erdbeben vorliegen, kann man feststellen, dass sie mit einer bestimmten Stärke in mehr oder weniger regelmäßigen Zeitabständen auftreten. Der wahrscheinlichste Ort für das Auftreten eines Bebens ist demnach der Bereich einer Störung, wo der Zeitraum seit dem letzten Beben bereits genauso groß oder größer ist, wie das ermittelte durchschnittliche Zeitintervall zwischen Erdbeben in dieser Region. Obwohl mit dieser Art der Vorhersage von Erdbeben einige Erfolge verzeichnet wurden, beinhaltet diese statistische Methode der „seismischen Lücken“ jedoch Unsicherheitsspannen von bis zu einigen Jahrzehnten. Auch wenn Erdbeben bislang nicht genau genug vorhergesagt werden können, ist ihr Eintreten mit Hilfe der verschiedenen Vorhersagemethoden aber zumindest ungefähr abzuschätzen.
E) Erkundung des Unerreichbaren. Mit Hilfe von Erdbebenwellen können Geowissenschaftler in unerreichbare Tiefen unseres Planeten blicken, ähnlich wie sich ein Arzt mittels Ultraschall ein Bild vom Innern unseres Körpers macht. Dabei wird der Umstand genutzt, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen verändert, wenn sie die Grenzen von unterschiedlichem Material durchlaufen, so wie Licht in der Luft eine raschere Ausbreitung erfährt als in Wasser oder Glas. Beben erzeugen Longitudinal- und Transversalwellen, sogenannte P- und S-Wellen. Wichtig ist, dass sich S-Wellen in Flüssigkeiten nicht fortpflanzen. Wenn Wellen auf eine Materialgrenze stoßen, werden sie teilweise reflektiert und zum Teil durchgelassen. Nach ihrem Übertritt in das andere Material ändern sie nicht nur ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit, sondern, genau wie Licht an der Grenzfläche Luft-Wasser, ihre Richtung. Sie werden gebrochen. Wäre die Erde ein, in jeder Hinsicht homogener Körper, würden die Erdbebenwellen den Planeten auf dem kürzesten Weg zu einem Seismographen durchlaufen. Die Auswertung von unzähligen Erdbebenwellen zeigten jedoch, dass sie auf eine bestimmte Art und Weise das Innere der Erde in unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchlaufen und verschiedene Reflexionen erfahren. Daher wissen wir, dass die Erde aus verschiedenartig beschaffenen Schalen aufgebaut sein muß. Das wird am Beispiel der S-Wellen deutlich, denn nur Flüssigkeiten verhindern eine Ausbreitung von Transversalwellen. Die S-Wellen durchlaufen die Lithosphäre aus Erdkruste und oberstem Erdmantel ungestört, was auf ihre feste Konsistenz hinweist. Danach nimmt ihre Geschwindigkeit ab, teilweise werden sie absorbiert. Das zeigt, dass dieser Bereich des Globus, die Asthenosphäre, deutlich weicher und zum Teil von flüssiger Konsistenz ist. Unter dem Mantel folgt eine Schale, in der S-Wellen aussetzten, der flüssige äußere Kern. P-Wellen werden an der Grenzfläche vom Erdmantel zum flüssigen Erdkern gebrochen und werden langsamer, durchdringen ihn aber. In noch größerer Tiefe werden sie plötzlich schneller, was auf einen festen inneren Kern der Erde hindeutet.
