Der gesamte Globus schwingt unentwegt. Neue Forschungsergebnisse deutscher Geophysiker machen das Phänomen noch mysteriöser.
Behutsam tupft Rudolf Widmer-Schnidrig die Tropfen ab. Sie haben sich an einem Kästchen gebildet, aus dem ein Strang von Kabeln herausführt. „Die ständige Feuchtigkeit hier unten macht uns ziemlich zu schaffen”, seufzt der Geophysiker, während er im hellen Schein einer Grubenlampe die elektrischen Einrichtungen trocknet. „Würden wir die empfindlichen Geräte nicht dick in Schaumstoff einpacken und manche zusätzlich beheizen, wären sie rasch verrottet”, sagt er.
Widmer-Schnidrig inspiziert die Elektronikkammer des BFO. Das Kürzel steht für „Black Forest Observatory”, auf deutsch: Schwarzwald-Observatorium. Dahinter verbirgt sich ein seismologischer Horchposten, den die Universitäten Stuttgart und Karlsruhe seit Anfang der 1970er-Jahre gemeinsam tief im harten Fels des Schwarzwaldes betreiben – mit dem Ziel, das leise Summen der Erde zu belauschen, von dem man seit etwa zehn Jahren weiß. Als Standort dafür wählten die Forscher einen alten Stollen, 5 Kilometer außerhalb und 200 Höhenmeter oberhalb des Städtchens Schiltach, wo Ende des 18. Jahrhunderts in der „Grube Anton” Silber und Kobalt abgebaut wurden.
Turbulenzen bleiben draussen
Was BFO-Forscher Widmer-Schnidrig und seine Mitarbeiter – zwei weitere Wissenschaftler und ein Techniker – als Elektronikkammer bezeichnen, ist eine künstlich in die Felswand gehauene Nische, etwa 400 Meter vom Eingang des Stollens entfernt. Rund um die Uhr treffen dort Daten ein, die von den Messinstrumenten des Observatoriums aufgezeichnet werden. Mikroprozessoren verwandeln die Messdaten in digitale Signale und leiten sie über Glasfaserkabel nach draußen – an Rechner im Laborhaus vor dem Stollen, wo die Forscher sie auswerten. Die Messgeräte selbst befinden sich am Ende des Bergwerkstollens, 700 Meter tief im Inneren des Berges. Geschützt durch einen natürlichen Kokon aus 170 Meter dickem Granitgestein registrieren hochsensible Seismometer, Gravimeter, spezielle Pendel sowie trickreich konstruierte Neigungs- und Deformationsmesser jedes Räuspern der Erde. Selbst winzigste Bewegungen des Untergrunds entgehen den Präzisionsapparaten nicht. „Wir haben hier einzigartig gute Bedingungen, die uns extrem präzise seismologische Messungen ermöglichen”, schwärmt Widmer-Schnidrig. Im hintersten Winkel des Stollens herrscht das ganze Jahr über dieselbe Temperatur. Und auch kurzzeitige Schwankungen des Luftdrucks draußen kommen dort nicht an. Dafür sorgt eine Schleuse aus zwei luftdicht schließenden Türen, die BFO-Techniker zwischen Elektronik- und Messkammer im Grubengang angebracht haben.
Die ungewöhnlich ausgeglichenen Verhältnisse sind die Voraussetzung dafür, dass Rudolf Widmer-Schnidrig und sein Team schwache Vibrationen des Erdballs erspüren können, die den Forschern an anderen Observatorien verborgen bleiben. Zum Beispiel die feinen Details der permanenten Eigenschwingungen der Erde, die auch zehn Jahre nach ihrer Entdeckung die Wissenschaftler noch vor Rätsel stellen. Seit 1998 wissen die Geophysiker, dass die Erde niemals zur Ruhe kommt. Auch in tektonisch ruhigen Phasen, wenn weder Erdbeben noch Vulkanausbrüche den Planeten erzittern lassen, schwingt er mit bestimmten „Eigenfrequenzen” – wie eine angeschlagene riesige Glocke. Vermutlich kneten Kräfte an der Erdoberfläche den Globus ständig durch und halten so die Schwingungen in Gang.
Die beiden japanischen Erdbebenforscher Naoki Suda und Kazunari Nawa von der Universität von Nagoya entdeckten das schwache Summen 1998, als sie über mehrere Jahre hinweg gesammelte seismische Daten mathematisch analysierten. Kurz darauf konnten auch die Forscher in Schiltach in ihren Messreihen das Phänomen erkennen, das in der internationalen Fachwelt als „ Hum” bezeichnet wird – als „Brummen” der Erde.
Das irdische orchester
Menschliche Ohren können das irdische Brummen nicht hören. „ Der Hum besteht aus einer Überlagerung von etwa 60 Frequenzen zwischen drei und sieben Millihertz”, sagt Widmer-Schnidrig. Das ist rund ein Dutzend Oktaven tiefer als der tiefste Ton, der für das menschliche Gehör noch wahrnehmbar ist. Doch was die Wissenschaftler um Rudolf Widmer-Schnidrig bisher herausgefunden haben, macht das unhörbare Gebrumme noch mysteriöser: Die Erde schwingt viel komplexer als man bislang dachte. Der Globus „ klingt” nicht wie eine einzelne Glocke oder ein einfaches Instrument, so die neue Erkenntnis, sondern wie ein ganzes Orchester, in dem sich die Klänge diverser Instrumente überlagern. Bisher kannten die Geowissenschaftler nur sogenannte sphäroidale Schwingungen der Erde. „Sie ähneln der Bewegung eines Schiffes bei hohem Seegang”, erklärt Widmer-Schnidrig. „Das Schiff bewegt sich auf und ab, gleichzeitig aber auch etwas vor und zurück – es legt dabei insgesamt eine ellipsenförmige Bahn zurück.” Auf dieselbe Weise hebt und senkt sich der Erdboden beim Hum im Minutentakt um wenige Zehntausendstel Millimeter. Mit modernen seismischen Apparaturen lässt sich diese winzige Auf- und Ab-Bewegung messen. Das war es, was Naoki Suda und Kazunari Nawa auf die Spur des Erdbrummens führte. „Dabei war stets klar, dass der Globus auch in horizontaler Richtung schwingen muss”, sagt Widmer-Schnidrig. Eben wie ein Schiff auf den Wellen – nur: In horizontaler Richtung ist das seismische Rauschen deutlich stärker als in der Vertikalen, bei tiefen Frequenzen hervorgerufen durch den Einfluss von Luftdruckschwankungen in der direkten Umgebung des Seismometers. Das macht eine Messung der horizontalen Eigenschwingungen der Erde sehr schwierig. Erst Dieter Kurrle, einem von Widmer-Schnidrig betreuten Doktoranden am Institut für Geophysik der Universität Stuttgart, gelang dieses Kunststück.
Für seine Promotion nutzte Kurrle Messdaten aus dem Stollen bei Schiltach. Penibel analysierte er die von den Seismometern aufgezeichneten Bewegungen des Untergrunds parallel zur Erdoberfläche und verglich sie mit Messreihen, die Stationen in Japan und China zur gleichen Zeit registriert hatten. „Dabei konnte ich in den Signalen aus dem Nordschwarzwald und aus Asien Bewegungsmuster mit identischen Frequenzen aufspüren”, berichtet Kurrle. „Das belegt, dass es sich nicht um lokale Störungen handeln kann, sondern es müssen Schwingungen der gesamten Erde sein.” Der im Rauschen verborgene horizontale Anteil des Erdbrummens war entdeckt.
Die ganze Erde wird verdrillt
Und Kurrle fand noch mehr: „Das Frequenzspektrum der horizontalen Erdbewegung zeigt keine einfache und klare Struktur wie das Spektrum der Schwingungen in vertikaler Richtung.” Daraus schloss der Geophysiker, dass die Erde nicht nur die bereits bekannten sphäroidalen Oszillationen ausführt, sondern zugleich auf eine völlig andere Weise schwingt: Der Globus verdrillt sich – ähnlich wie eine Orange, deren obere und untere Hälfte man mit den Händen anpackt und in entgegengesetzte Richtungen gegeneinander verdreht. Doch die Erdkugel verdrillt sich weitaus komplizierter als die Orange. Und: Die Torsionen wiederholen sich unaufhörlich im Abstand von ein paar Minuten. Die Wissenschaftler sprechen von toroidalen Eigenschwingungen. Von Erdbeben sind solche Schwingungen seit Langem bekannt – die Entdeckung, dass sie permanent angeregt werden, ist jedoch neu.
„Toroidale Schwingungen tragen etwa gleich stark zum Erdbrummen bei wie sphäroidale Oszillationen”, schließt der BFO-Forscher Widmer-Schnidrig aus den Messergebnissen. „Doch sie müssen eine andere Ursache haben.” Während die sphäroidalen Eigenschwingungen durch Druckkräfte auf die Erdoberfläche ausgelöst werden, können die jetzt entdeckten Schwingungsmuster nur durch Scherkräfte zustande kommen, die parallel zur Oberfläche wirken. Das bringt das Bild von der Entstehung des Erdbrummens ins Wanken, das die Geophysiker in den letzten Jahren gezeichnet haben: Sie machten die irdische Lufthülle oder die Ozeane für den Hum verantwortlich. Druckschwankungen und Turbulenzen in der Atmosphäre oder vom Wind angefachte Wellen in den Weltmeeren sollten die globale Glocke anschlagen, indem sie rhythmisch auf Kontinente und Meeresboden drücken und die Erde dadurch zum Oszillieren bringen.
Dahinter steckte die Beobachtung, dass die Stärke des Erdbrummens im Takt der Jahreszeiten variiert – einen Effekt, den auch die Geophysiker in Schiltach beobachtet haben. Rudolf Widmer-Schnidrig zeigt dazu ein Diagramm von seinem Doktoranden Dieter Kurrle, in dem die Veränderung der seismischen Bewegungen der Erde übers Jahr und je nach Himmelsrichtung erkennbar ist. „ Man sieht, dass die Erde immer dann besonders heftig schwingt, wenn auf der Nord- oder auf der Südhalbkugel gerade Winter herrschen”, interpretiert Widmer-Schnidrig das dichte Bündel aus Kurven. „Auffällig ist: Die Herkunftsrichtung ändert sich.” Während zwischen Dezember und Februar die stärksten Schwingungen aus Richtung Nordwesten eintreffen, kommen sie zwischen Juni und August aus dem Süden.
Stürme kneten den OZEANGRUND durch
Das brachte 2004 die Geophysiker Junkee Rhie und Barbara Romanowicz von der University of California in Berkeley auf die Idee, Stürme könnten die Auslöser des Erdbrummens sein. „In den Wintermonaten toben starke Stürme, die auf den Meeren oft zu extrem hohem Seegang führen”, erklärt Widmer-Schnidrig. Während des Nordwinters – etwa von Dezember bis Februar – fegen die heftigsten Stürme über die nördlichen Regionen des Pazifik und Atlantik, zwischen Juni und August hingegen brausen sie vor allem über den südlichen Ozean rund um die Antarktis. Das passt zu den Beobachtungen. Die Theorie dazu: Der starke Wind facht in den Weltmeeren riesige Wellen an, die bis zum Grund hinabreichen – ähnlich wie bei einem Tsunami. Der Meeresboden wird dabei kräftig durchgewalkt wie ein Kuchenteig. Das regt die Erde zum Schwingen an – und zum Brummen.
Doch diese Theorie kann zwar die sphäroidalen Schwingungen erklären, nicht aber die von Dieter Kurrle entdeckten ständigen toroidalen Oszillationen. Denn die Ozeanwellen sind nicht in der Lage, die dafür nötigen Scherkräfte aufzubringen. Als Erklärung der periodischen Verdrillungen der Erdkugel können die Forscher bislang nur vage Spekulationen vorbringen. So könnten Berge am Grund der Weltmeere die von Wellen ausgeübten Druck- in Scherkräfte umlenken. Oder die beiden Formen von Eigenschwingungen tauschen über eine unsichtbare Kopplung Energie miteinander aus. Die Ursache dafür wäre die Gestalt des Globus: Da die Erde keine perfekte Kugel ist, sondern an den Polen abgeplattet, wird stets ein kleiner Teil der Bewegungsenergie zwischen sphäroidalen und toroidalen Schwingungen übertragen. „ Doch dieser Effekt ist so klein, dass er nicht ausreicht für die beobachtete starke Verdrillung der Erde”, sagt Widmer-Schnidrig. Dasselbe gilt für den topographischen Effekt durch Tiefseegebirge – und auch für alle anderen Erklärungsversuche, die bisher kursieren: etwa eine Anregung der permanenten toroidalen Erdschwingungen durch Erdbeben oder durch die großräumige Rotation der Luft um Tiefdruckgebiete. „Diese Effekte allein genügen nicht, um den Erdkörper stark genug in Wallung zu bringen” , resümiert Widmer-Schnidrig. „Wir sind noch weit davon entfernt, ein glaubhaftes Modell für dieses Phänomen zu haben.”
Simulationen sollen’s richten
Vielleicht steckt eine Kombination mehrerer Ursachen hinter dem mysteriösen Brummen der Erde – oder ein Effekt, den die Wissenschaftler bislang noch gar nicht im Visier haben. Möglicherweise helfen extrem empfindliche Seismometer weiter, die das Zusammenspiel der diversen „Klänge” in der Erdsinfonie noch präziser als bisher möglich auflösen. Oder aufwendige Simulationen am Computer: „Die neueste Generation von Superrechnern ermöglicht es erstmals, die Auswirkungen unterschiedlicher Druckfelder am Meeresboden genau zu analysieren” , sagt Widmer-Schnidrig. Dadurch, hofft er, wird sich in den nächsten Jahren herausfinden lassen, welche Art von Schwingungen der Erde auf welche Weise angeregt werden. Ein besseres Verständnis des Erdbrummens und seiner Ursachen könnte den Geowissenschaftlern neue Erkenntnisse über das Zusammenwirken von Atmosphäre, Ozeanen und festem Erdkörper liefern – wichtig etwa für das Verständnis des künftigen weltweiten Klimageschehens.
Vor allem aber erlaubt es einen Blick tief ins Innere der Erde – und künftig vielleicht auch in andere Planeten des Sonnensystems wie Mars oder Venus. Ende der 1990er-Jahre hatten Weltraumforscher unter Führung der französischen Raumfahrtbehörde CNES mit „Netlander” bereits eine Marsmission geplant, bei der vier kleine Landekapseln an verschiedenen Stellen auf dem Roten Planeten abgesetzt werden sollten. Sie sollten mit Seismometern bestückt sein, um Bewegungen unter der Marsoberfläche zu messen. „ Selbst wenn es vielleicht keine Erdbeben auf dem Mars gibt, könnte auch dieser Planet brummen, möglicherweise hervorgerufen durch seine Atmosphäre”, spekuliert Widmer-Schnidrig. Das Brummen könnte verraten, welchen Durchmesser der Kern des Planeten hat und ob er fest oder flüssig ist. Die Seismometer für die Marsmission sollten am BFO geeicht und getestet werden. Doch dazu kam es nicht: 2003 stoppten die Verantwortlichen in Paris und Washington die Planungen für Netlander. Die Tests in Schiltach wurden abgesagt.
Inzwischen stehen die Signale wieder auf „Grün”. Beim ESA-Programm „ExoMars” soll der Mars neben meteorologischen Messungen auch seismologisch durchleuchtet werden. Anvisierter Termin für die Landung auf dem Roten Planeten: spätestens 2019. Projektpartner bei den Vorbereitungen zum Aufbau des ersten geophysikalischen Messnetzes außerhalb der Erde: Rudolf Widmer-Schnidrig und sein Team. So schwierig die Messungen in mehreren Hundert Millionen Kilometer Entfernung von der Erde auch sein werden – auf dem staubtrockenen Mars gibt es ein Problem nicht, das den Schiltacher Forschern zu schaffen macht: die aggressive Feuchtigkeit. ■
von Ralf Butscher
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Hörfunk
Der Südwestrundfunk (SWR) sendet im Rahmen der Reihe „SWR2 Wissen” in seinem zweiten Hörfunkprogramm einen Beitrag „Erdklang” über die irdische Sinfonie von Frank Scherbaum und Wolfgang Loos. Sendetermin: 22. Dezember 2008, ab 8.30 Uhr. Infos und weitere Themen unter: www.swr.de/swr2/wissen
Medien
Die Sinfonie der Erde von Frank Scherbaum und Wolfgang Loos gibt es auf CD: INNER EARTH Seismosonic Symphony Traumton Verlag 1999, € 14,35
Internet
Infos zum Schwarzwald-Observatorium BFO in Schiltach: www.gik.uni-karlsruhe.de/bfo.html
Kompakt
· Vermutlich bringen Druckschwankungen in der Atmosphäre oder bestimmte Wellen in den Ozeanen die Erde zum Schwingen.
· Eine neu entdeckte Form des Erdbrummens lässt sich damit aber nicht erklären.
· Forscher planen, mithilfe des planetaren Brummens den Mars zu durchleuchten.
Musik aus der Tiefe
Könnte das menschliche Ohr das Brummen der Erde wahrnehmen, würde es eine schrille Kakofonie aus wild durcheinander wirbelnden Lauten hören. Überlagert wären diese Misstöne von einem Konzert aus diversen, nur für kurze Zeit auflebenden Klängen, kreiert etwa von Erdbeben und Vulkanen. Der Geophysiker Frank Scherbaum vom Institut für Geowissenschaften der Uni- versität Potsdam und der Berliner Komponist und Tontechniker Wolfgang Loos haben aus diesem Gemisch von akustischen Wellen die eindrucksvollsten Töne herausgefiltert und zu einer Sinfonie der Erde verwebt. Dazu übersetzte Scherbaum zunächst die unhörbaren Schwingungen des Globus mithilfe von mathematischen Verfahren in den von den menschlichen Ohren hörbaren Frequenzbereich. Anschließend erstellte Loos daraus eine exzentrische Komposition tiefer, mittlerer und hoher Frequenzen in verschiedener Lautstärke und Länge. Das Kreativteam aus Forscher und Tonkünstler schöpfte zum Beispiel aus dem Tonfundus eines Erdbebens in Kolumbien. Auch das Klangmuster von Vulkaneruptionen zapften sie an: etwa vom Ausbruch des Ätna auf Sizilien sowie des Merapi und Semeru in Indonesien.
