Starkbeben schneller analysieren

Paris (Frankreich) - Nach starken Erdbeben laufen Stoßwellen durch die Erde und können selbst in großer Entfernung mit empfindlichen Seismometern gemessen werden. Die Wellen, aus denen sich die Stärke eines Bebens bestimmen lässt, legen dabei bis zu zehn Kilometer pro Sekunde zurück. Winzige Schwankungen des Schwere- oder Gravitationsfelds der Erde breiten sich nach einem Starkbeben aber noch viel schneller mit Lichtgeschwindigkeit aus. Französische Geowissenschaftler berichten nun in der Fachzeitschrift „Science“, dass sich über den Nachweis dieser Schwankungen die Stärke eines Bebens schon binnen weniger Minuten rascher und genauer ermitteln lässt als über die herkömmliche Analyse der Stoßwellen.

„Die Störungen des Schwerefelds können mit Seismometern gerade in Entfernungen zwischen 1000 und 2000 Kilometern vom Epizentrum beobachtet werden“, berichten Martin Vallée und seine Kollegen von der Université Paris Diderot. Für ihre Studie untersuchten sie die Aufzeichnungen von Seismometern in China, Südkorea und der Mongolei nach dem zerstörerischen Tōhoku-Beben am 11. März 2011 vor der Ostküste Japan. Gefolgt von einem Tsunami und der Nuklearkatastrophe von Fukushima forderte es knapp 11.000 Menschenleben. Mit der herkömmlichen Analyse der seismischen Wellen unterschätzten Erdbebenforscher seine Stärke erst mit einer Magnitude von 7,9, Stunden später mit 8,8. Die tatsächliche Bebenstärke von 9,1 wurde erst deutlich unterschätzt. Die Analyse des Schwerefelds jedoch hätte bereits wenige Minuten nach dem Beben eine korrektere Magnitude von über 9,0 offenbaren können.

Für ihre Analyse simulierten Vallée und seine Kollegen zuerst, wie sich die plötzlichen Verschiebungen großer Erdmassen nach einem Beben auf das Gravitationsfeld der Erde auswirken können. Es ergaben sich geringe Schwankungen im Schwerefeld, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Erdkörper ausbreiteten und sich besonders in größerer Entfernung nachweisen lassen könnten. Diese Simulationen verglichen sie mit den Daten der bis zu 2000 Kilometer vom Epizentrum entfernten Messstationen. In diesen fanden sie tatsächlich deutliche Ausschläge in den Messwerten, die sie mit den Schwankungen des Schwerefelds erklären konnten. Prinzipiell hätten diese Schwankungen bereits wenige Minuten vor dem Eintreffen der langsameren Schockwellen nachgewiesen werden können. Schnell und verblüffend genau wäre die Stärke des Bebens mit einer Magnitude über 9,0 bestimmbar gewesen.

Anwendbar ist diese Methode zur Bestimmung der Magnitude binnen weniger Minuten nach einem Erdbeben bisher nur für besonders starke Erschütterung. Je größer die versetzten Massen sind und je schneller das Beben abläuft, desto eher lassen sich die so genannten elastogravitativen Signale mit empfindlichen Seismometern aufzeichnen. Signale schwächerer Beben würden derzeit noch im Messrauschen der Detektoren untergehen. Doch mit anderen Messsystemen wie supraleitenden Gravimetern, Atominterferometern oder gar Gravitationswellen-Detektoren halten Vallée und Kollegen genauere Messungen der Schwerefeldschwankungen für möglich.

Die Störungen des Schwerefelds legen nicht nur die Grundlage, um die Stärke von Starkbeben schneller bestimmen zu können. Die Arbeitsgruppe um Vallée konnte bereits in einer früheren Studie zeigen, dass sich mit diesen Messungen auch die Vorwarnzeiten um einige Sekunden verkürzen ließen. Messdaten eines kleinen Gravimeters westlich von Tokio, 500 Kilometer vom Epizentrum des Bebens entfernt, hätten immerhin fast zehn Sekunden früher eine Warnung möglich gemacht. Ein Zeitvorteil von einigen Sekunden mag zwar vernachlässigbar klingen. Doch können diese Sekunden für das Schließen von Gaspipelines, Runterfahren von Kraftwerken oder auch die automatische Sperrung von Brücken ausreichen. So haben schnellere und exaktere Warnungen das Potenzial, viele Menschenleben zu retten.