Zentimetergenau gemessen: So wird aus einem Erdbeben ein Tsunami
Wie ein Tsunami aus einem Erdbeben entsteht, ließ sich aus physikalischer Sicht bislang nur begrenzt erklären. Das hat sich geändert, ein Forschungsteam konnte beim Chignik-Erdbeben in Alaska präzise Messungen durchführen. Erstmals wurden die Verschiebungen in den Subduktionszonen zentimetergenau dokumentiert und lieferten ein präzises Bild der komplizierten Gleitprozesse und Verwerfungen, die häufig Ursache für ein Erdbeben und letztlich auch von Tsunamis sind.
Wave-Glider mit Navigationssatellitensystem und akustischen Messgeräten für Messungen am Meeresboden.
Foto: Universität Stuttgart / Todd Ericksen
Erdverschiebungen zwischen kontinentalen und ozeanischen Platten am Meeresboden, bekannt als Megathrust- oder Megaschub-Erdbeben, verursachen die stärksten Erderschütterungen und die gefährlichsten Tsunamis überhaupt. Die genaue Entstehung und zeitliche Abfolge dieser Ereignisse wurden bisher nur begrenzt verstanden, da der Meeresboden schwer zugänglich ist und Messungen erschwert. Jedoch konnte ein internationales Forschungsteam, zu dem auch Prof. James Foster vom Geodätischen Institut der Universität Stuttgart gehörte, dank neuer Technologien erstmals präzise Messungen in einem Seebebengebiet vor Alaska durchführen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.
Was passiert bei einem Tsunami?
Tsunamis werden durch verschiedene Ereignisse wie Seebeben, Erdrutsche, Vulkanausbrüche oder Meteoriteneinschläge ausgelöst. Diese Ereignisse verursachen Erschütterungen des Meeresbodens, die riesige Wassersäulen in Bewegung setzen. Ähnlich einem akustischen Signal breiten sich die Wellen in alle Richtungen aus.
Auf offener See sind die Wellen normalerweise weniger als 50 Zentimeter hoch, wodurch sie selbst für kleine Boote keine unmittelbare Gefahr darstellen. Sie breiten sich nahezu unbemerkt und mit enormer Geschwindigkeit aus. Gefährlich werden die Wellen erst in flachem Wasser, insbesondere in der Nähe von Küsten und Inseln. In seichtem Wasser werden die Wellen gestaucht, und ihre Kämme bauen sich höher und höher auf.
Beim Tsunami in Südostasien im Jahr 2004 erreichten die Flutwellen eine Höhe von über 30 Metern. Beim Auftreffen auf Küsten verursachten sie zusammen mit den nachfolgenden Wassermassen verheerende Schäden. Die Zerstörungskraft war jedoch nicht nur auf die Wellen selbst zurückzuführen, sondern auch auf die enorme Sogwirkung. Das zurückfließende Wasser riss im Jahr 2004 Tausende von Menschen in die Tiefe des Meeres.
Untersuchung des Chignik Erdbebens vor der Küste von Alaska
Für ihre Forschungen untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Chignik Erdbeben, das sich am 28. Juli 2021 32 Kilometer unter dem Meeresboden vor der Küste Alaskas ereignete. Es war mit einer Magnitude von 8,2 das siebtstärkste Beben in der Geschichte der USA und es entstand, weil die ozeanische Pazifikplatte unter die kontinentale Nordamerika-Platte gleitet und dadurch einen enormen Schub verursacht.
Obwohl das Beben in der dünn besiedelten Region vor Ort begrenzte Schäden verursachte, besitzen Megathrust-Erdbeben in der sogenannten Subduktionszone, wo ozeanische und kontinentale tektonische Platten aufeinandertreffen, ein enormes Zerstörungspotenzial. Ein besonders beunruhigendes Merkmal dieser Erdbeben ist die potenzielle Entstehung von Tsunamiwellen. Obwohl sie an ihrem Entstehungsort nicht sehr hoch sein mögen, können sie sich Stunden später und über Hunderte oder Tausende von Kilometern hinweg zu katastrophalen Tsunamis entwickeln, die Küstenregionen bedrohen und zahlreiche Menschenleben gefährden können.
Physikalische Prozesse bei einem Tsunami besser verstehen
Ein Megathrust-Erdbeben und ein darauf folgender Tsunami entfachen enorme Urgewalten, dennoch werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse bislang nur begrenzt verstanden. Dies erschwert die genaue Abschätzung der räumlich-zeitlichen Entwicklung von Erdbeben und der damit verbundenen Tsunamigefahr in Subduktionszonen.
Um die Wahrscheinlichkeit eines tsunami-auslösenden Bebens besser prognostizieren zu können, führten Forscher unter der Leitung von Benjamin Brooks vom United States Geological Survey (USGS) umfangreiche Untersuchungen des Meeresbodens vor Alaska durch. Hierbei wurden sowohl vor als auch etwa 2,5 Monate nach dem Chignik-Beben globale Navigationssatellitensysteme (GNSS), akustische Ortungssysteme und ein Roboterschiff eingesetzt.
James Foster bei der Steuerung der Waveglider-Mission.
Foto: Universität Stuttgart / Susanne Dorn
Messungen in 1.000 bis 2.000 Metern Tiefe
Eine entscheidende Rolle bei den Untersuchungen spielten autonome Oberwasserfahrzeuge, auch als Wave Glider bekannt. An der Entwicklung der Fahrzeuge war unter anderem Prof. James Foster vom Geodätischen Institut der Universität Stuttgart beteiligt. Ausgestattet sind die Wave Glider sowohl mit GNSS als auch mit akustischen Messgeräten.
Dank dieser modernen Technologie konnten Verschiebungen in den Subduktionszonen mit einer Genauigkeit von Zentimetern gemessen werden, was ein präzises Bild der komplexen Gleitprozesse und Verwerfungen ermöglichte. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die flachen Abschnitte der Gleitzonen gelegt, da diese entscheidend dafür sind, ob es zu einem Tsunami kommt oder nicht.
Die Messungen erfolgten in einer Wassertiefe von 1.000 bis 2.000 Metern. „Noch besser wäre es, wenn wir Messungen in 3.000 bis 4.000 Metern Wassertiefe direkt über dem flachsten Teil des Verwerfungssystems vornehmen könnten“, sagt Foster. Die derzeit verwendeten Systeme lassen sich nicht in einer solchen Tiefe einsetzen. Dank einer Förderung durch der Deutschen Forschungsgemeinschaft und in Zusammenarbeit mit dem GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel kann der Forscher jedoch bald ein Gerät anschaffen, dessen Sensoren in dieser Tiefe funktionieren. „Mit diesem System werden wir erstmals in der Lage sein, die Bewegung des Meeresbodens in diesen tiefsten Abschnitten tsunamigener Verwerfungen direkt zu messen,“ freut sich Foster.
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