Naturkatastrophen
Sind Erdbeben und Vulkanausbrüche vorhersehbar?
Den Zeitpunkt eines Vulkanausbruchs können Wissenschaftler heute recht zuverlässig vorhersagen. Nun entwickeln sie Methoden, die Prognosen über den genauen Ort des Ausbruchs ermöglichen. Bild: Pixabay
Erdbeben und Vulkanausbrüche können katastrophale Folgen haben – gerade in großen Ballungsräumen wie Istanbul oder Neapel. Wissenschaftler können die Gefahren immer genauer bestimmen – mit Forschungsbohrungen in Erdbebengebieten und Computermodellen der Bewegung vulkanischen Magmas.
In Istanbul wohnen rund 16 Millionen Menschen. Sie leben dort gefährlich: „Unter Experten besteht Einigkeit, dass wir in naher Zukunft mit einem starken Erdbeben in unmittelbarer Nähe der Stadt rechnen müssen“, sagt Marco Bohnhoff, Sektionsleiter für Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren am Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam. Historisch ist gut dokumentiert, dass die Metropole am Bosporus im Laufe der letzten Jahrtausende regelmäßig unter starken Beben leiden musste. Insofern können Wissenschaftler dort auf eine im weltweiten Vergleich sehr solide statistische Basis zurückgreifen. Im Schnitt kam es am Marmarameer etwa alle 250 Jahre zu einer solchen Naturkatastrophe, zum bislang letzten Mal im Jahr 1766.
„Neben der Statistik weisen auch aktuelle empirische Daten darauf hin, dass sich aller Voraussicht nach früher oder später ein starkes Erdbeben direkt bei Istanbul ereignen wird“, unterstreicht Bohnhoff die akute Gefahr. Sein Team arbeitet von Potsdam aus mit Erdbebenforschern und dem türkischen Katastrophenschutz AFAD zusammen. Die Wissenschaftler haben von 2011 bis 2015 am Marmarameer, das südlich der Stadt liegt, ein Erdbebenobservatorium errichtet. Es besteht bislang aus sieben Bohrungen entlang der östlichen Küste und auf Inseln. Sie gehen rund 300 Meter in die Tiefe. Dort unten wurden einerseits Seismometer einzementiert, die wie ein Mikro Deformationssignaturen der teils verhakten, teils aneinander vorbeigleitenden Kontinentalplatten aufnehmen. „Die anatolische und die eurasische Platte bewegen sich relativ zueinander um 2,5 Zentimeter pro Jahr“, so Bohnhoff, „und bauen dabei enorme Energie auf, bis die Gesteinsfestigkeit überschritten wird.“
Der Bereich direkt vor Istanbul ist bis in mindestens 10 Kilometer Tiefe verhakt
Bild: GFZ
Vier Strainmeter ergänzen die Seismografen. Die Deformationsmessgeräte messen den unterirdischen Atmungspuls der Erdkruste in Form elektrischer Spannungen. Weitere sieben Bohrungen sind geplant. Darin sollen zudem faseroptische Kabel eingesetzt werden. Deren Daten gilt es dann in Echtzeit nach Potsdam und Ankara zu übertragen und mit neu zu entwickelnden Algorithmen so zu nutzen, dass sie ein prognosebasiertes Erdbebenfrühwarnsystem füttern. Damit sollen Schäden im Fall eines starken Bebens möglichst gering gehalten werden. Schon jetzt wissen die Forscher: Die anatolische Platte vollführt auf 1.200 Kilometer Länge eine gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Drehbewegung relativ zu Eurasien, und nur der Bereich unterhalb des Marmarameeres vor Istanbul hat seit 1766 nicht mehr heftig gebebt.
„Solange die Platten dabei reibungsarm aneinander vorbei kriechen, wird kaum Spannung aufgebaut“ erläutert Bohnhoff. „Doch unsere Daten weisen darauf hin, dass der Bereich direkt vor Istanbul bis in mindestens 10 Kilometer Tiefe verhakt ist.“ Hierbei staue sich enormer Druck auf. „Wird die Festigkeit des Gesteins an einer Stelle überschritten, entlädt sich die gesamte angestaute Energie innerhalb von Sekunden und führt zu einem Versatz beider Erdplatten um mehrere Meter.“ Wo die gefährlichen Erdbebenwellen entstehen und wie stark sie sein werden, lässt sich recht genau vorhersagen. „Das Beben wird aller Voraussicht nach nicht stärker als die Magnitude 7,4 sein“, so Bohnhoff. Klar ist: Da sich das Zentrum des Bebens ganz nah am Stadtzentrum befinden kann, ist die Gefahr enormer Schäden sehr hoch. Wann genau es soweit ist, können die Wissenschaftler jedoch nicht sagen. Dies bleibt die große Herausforderung der Seismologie.
Neues Verfahren sagt voraus, wo ein Vulkan mit hoher Wahrscheinlichkeit ausbrechen wird
Vor ähnlichen Herausforderungen stehen Wissenschaftler, die versuchen, die Art von Vulkanausbrüchen vorherzusagen. Auch hier können präzise Analysen millionenfach Leben retten. Das Wissen darum, wo es zu einem Ausbruch kommen kann, ermöglicht es auch bei solchen Gefahren, entsprechende Evakuierungs- und Katastrophenschutzpläne zu erstellen. Zum Beispiel in und um Neapel: Rund um den Vesuv leben gut drei Millionen Menschen. Dass es hier früher oder später zu einem Ausbruch kommt, steht außer Frage. Aber wo und wann genau? Auch hierbei spielen tektonische Spannungsfelder eine relevante Rolle. Westlich des Vesuvs erstrecken sich auf rund 150 Quadratkilometer die Phlegräischen Felder. Unter ihnen liegt eine riesige Magmakammer, die mehrfach heftig ausgebrochen ist und mit ihrer Asche halb Europa überzogen hat.
Bisher beruhten die Modellrechnungen, wo das Magma beim nächsten Ausbruch seinen Weg an die Oberfläche findet, auf statistischen Auswertungen vergangener Eruptionen. Die Ergebnisse ließen jedoch zu wünschen übrig. „Deshalb haben wir diese Daten mit dem aktuellen physikalischen Wissen darüber unterfüttert, welche Faktoren die Ausbreitung des Magmas steuern, erläutert Eleonora Rivalta, Arbeitsgruppenleiterin in der Sektion Erdbeben- und Vulkanphysik am GFZ. Die von ihr entwickelten Berechnungen berücksichtigen die Lage der Magmakammer. „Das tektonische Spannungsfeld lässt sich nicht direkt messen, weshalb wir sehr viele Rechendurchgänge mit unterschiedlichen Annahmen zu den Eigenschaften dieses Feldes durchführen mussten.“ Anhand vergangener Ausbrüche wurde das Modell dann mit Hilfe statistischer Verfahren kalibriert. Für die Phlegräischen Felder erwies sich die Treffsicherheit des Systems als sehr hoch: Das Rätsel um den Ort der bislang jüngsten Eruption ist gelöst. Das Verfahren soll nun an zwei weiteren Vulkanen erprobt werden, dem Ätna auf Sizilien und dem Piton de la Fournaise auf La Réunion im Indischen Ozean.
Wie erkennt man, wo ein Vulkan ausbricht? (GFZ)
Wissenstransfer in der Helmholtz-Gemeinschaft: Beispiel Krisen- und Katastrophendienste
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