Erdbeben-Alarm: Was taugen die neuen Methoden?

Hoffnung und Enttäuschung liegen in kaum einem Forschungsgebiet so dicht beieinander wie bei der Erdbebenvorhersage. Nach jedem Erfolg kam bislang die Ernüchterung. Wie sind die Perspektiven? Jahr für Jahr sterben weltweit im Schnitt rund 10 000 Menschen an den Folgen von Erdbeben – mehr als durch jede andere Naturgewalt. Dabei ließe sich viel Leid verhindern, wenn die Menschen ihre Häuser rechtzeitig verlassen und auf offenem Gelände abwarten würden, bis das Schütteln verebbt. Doch dazu müsste es gelingen, Erdbeben präzise vorherzusagen. Kein Problem, suggeriert ein Blick ins Internet (pasadena.wr.usgs.gov/step/). Dort kann man seit Mai 2005 das „ Erdbebenwetter” von Kalifornien studieren, täglich aktualisiert. Aber die verschiedenen Farben, die für die Wahrscheinlichkeit eines mittelstarken Bebens stehen, trügen. Denn die Karte greift erst, wenn der verhängnisvolle Schlag schon vorbei ist: Sie zeigt vor allem, wo mit Nachbeben zu rechnen ist. Seismologen wurden bisher noch jedes Mal überrascht, wenn die Erde zuschlug – sei es 2003 im iranischen Bam (26 000 Tote), im Dezember 2004 beim verheerenden Tsunami-Beben in Indonesien (über 200 000 Tote) oder im Oktober 2005 in Kaschmir (87 000 Tote). Manche Experten wie Robert Geller von der Universität Tokio haben inzwischen entnervt das Handtuch geworfen, weil sie nicht mehr an eine berechenbare Erde glauben: Ein Erdbeben könne man ebenso wenig vorhersagen wie den Zerfall eines radioaktiven Atoms. Im Untergrund, so ihr Credo, herrscht Chaos. Andere sind optimistischer, doch die große Hoffnung, mit der die Vorhersage-Forschung vor knapp 50 Jahren startete, ist dahin. Anfang der Sechzigerjahre hatte sich Alfred Wegeners Theorie der Plattentektonik durchgesetzt, mit der die verhängnisvolle Schüttelei erstmals eine schlüssige Erklärung fand: Die feste Lithosphäre – die Erdkruste und der obere Teil des Erdmantels – besteht demnach aus einem Puzzle kontinentgroßer Platten, die sich langsam und unerbittlich über den Globus schieben – allerdings nicht gleich schnell und in verschiedene Richtungen. Die unkoordinierte Bewegung führt an den Plattenrändern zu Reibereien. Ob dort eine Platte unter eine andere abtaucht oder ob sich zwei Platten horizontal gegeneinander verschieben – stets kommt es zu Erdbeben. Denn sprödes Gestein gleitet nicht wie geschmiert: Die Platten verhaken sich ineinander, sodass sich Spannungen aufbauen, die sich immer wieder ruckartig entladen – ein ewiger Rhythmus von gespannter Ruhe und entlastendem Beben. Kurz nach Wegeners Erkenntnis gelang William Brace vom Massachusetts Institute of Technology ein weiterer Durchbruch: Seine Laborexperimente zeigten, dass sich Gesteinsbrocken, bevor sie brechen, physikalisch verändern. Schon bei halber Bruchspannung öffnen sich kleine Risse, die das Volumen vergrößern. Dieses Aufquellen, das Seismologen als „Dilatanz” bezeichnen, beeinflusst andere Parameter wie den elektrischen Widerstand oder die für jeden Gesteinstyp charakteristische Schallgeschwindigkeit – Werte, die sich auch aus der Distanz messen lassen. Viele Beobachtungen, die man bisher nicht recht einordnen konnte, fanden nun eine wissenschaftliche Erklärung. Eine Vorhersage schien zum Greifen nah. Die Siebziger waren die Jahre der Euphorie. Der amerikanische Geowissenschaftler Frank Press versprach, dass das Problem der Vorhersage in zehn Jahren gelöst sei. Da die Seismologen davon ausgingen, dass sich das Gestein bemerkbar macht, sobald seine Spannung einen kritischen Wert erreicht, wurde die Vorhersage zur Frage der geeigneten Messtechnik. Überall auf der Welt suchten Forscher nach verräterischen Signalen, so genannten Vorläuferphänomenen, unmittelbar vor einem Beben. Die Liste der vielversprechenden Aspiranten gilt noch heute: die räumliche und zeitliche Verteilung schwacher Vorbeben, millimeterkleine Bewegungen des Untergrunds, eine erhöhte Freisetzung des radioaktiven Edelgases Radon, Veränderungen des Erdmagnetfelds und des elektrischen Felds, Schwankungen des Grundwasserspiegels, Lichterscheinungen, Wärmeanomalien. Selbst Tiere haben das Zeug zu Alarmmeldern, denn sie reagieren sensibler als der Mensch auf Botschaften aus der Tiefe. Am 4. Februar 1975 schienen die Anstrengungen Früchte zu tragen. Die Chinesen meldeten, dass bei einem starken Erdbeben (Magnitude 7,3) in der Stadt Haicheng dank rechtzeitiger Evakuierung kaum jemand umgekommen sei. Vor allem das auffällige Verhalten von Tieren, hieß es, hätte zur korrekten Vorhersage geführt. Doch der Seismologe Cinna Lomnitz von der Universität Mexiko entlarvte den vermeintlichen Erfolg in seinem 1994 erschienenen Buch „Fundamentals of Earthquake Prediction” als Propagandacoup. Nicht der Alarm einer Behörde habe die Menschen aus ihren Häusern getrieben, schrieb er, sondern starke Vorbeben. Wie es um die Vorhersage wirklich stand, zeigte sich schon ein Jahr nach dem Haicheng-Beben. Am 28. Juli 1976 starben im dichtbesiedelten Kohlerevier um Tangshan mehrere 100 000 Menschen, als sich die Erde völlig überraschend schüttelte. Seitdem wagen sich immer weniger seriöse Wissenschaftler mit neuen Methoden oder konkreten Vorhersagen an die Öffentlichkeit. Einer von ihnen, der Erdbebenspezialist Jochen Zschau vom Potsdamer Geoforschungszentrum, entwickelte Anfang der Neunzigerjahre ein Verfahren, an das er große Hoffnungen knüpfte. Es basiert darauf, dass sich die Mikrobebentätigkeit Tage und Stunden vor einem Erdbeben dort häuft, wo die Erde später losschlägt. Doch bald wurde es still um die „Seismolap”-Methode. Ähnlich erging es bisher jedem Forscher, der mit einem Erfolg vorpreschte: Der großen Hoffnung folgte stets die Ernüchterung. Die schwerste Schlappe mussten die Amerikaner einstecken. Sie hatten Anfang der Siebzigerjahre im kalifornischen Parkfield ein aufwendiges Beobachtungsnetz geknüpft, um Vorboten aufzuspüren. So ziemlich alles, was man nachweisen kann, wurde gemessen. An diesem besonders unruhigen Teil der San-Andreas-Störung sollte um 1988 das nächste Beben kommen, hatte der Geologische Dienst (USGS) vorhergesagt. Doch die Erde ließ auf sich warten. Und als sie am 28. September 2004 zum Schlag (Magnitude 6,0) ausholte, blieben die Geräte stumm. Kein einziges Vorläuferphänomen ging in die Falle. „Eine zuverlässige Vorhersage ist noch nicht möglich”, fasste der Geologe William Bakun vom USGS die jahrzehntelange Arbeit resigniert zusammen. Durch einen Zufall hat nun Bernd Zimanowski von der Universität Würzburg einen neuen Versuch gestartet. Zusammen mit italienischen Kollegen wollte der Geologe Rutschungen an labilen Vulkanhängen vorhersagen. In brechendem Gestein, das wusste er aus Laborexperimenten, verändert sich die elektrische Ladung und damit das geoelektrische Feld. „Das ist, als würde man mit einem Gummistab über ein Katzenfell reiben.” Um die Signale aufzufangen, ließ er einen Elektrostatik-Sensor entwickeln. Als am 26. Dezember 2004 in Indonesien die Erde bebte und den verheerenden Tsunami auslöste, stand das patentierte Gerät in Italien und fing schon Stunden vorher ein starkes Signal auf. Die Wissenschaftler trauten ihren Augen nicht, als sie die Aufzeichnungen später ansahen. Sie hatten gedacht, der Sensor könne höchstens 20 Kilometer in die Tiefe horchen. Doch dieser Erdbebenherd lag 9000 Kilometer entfernt. Außerdem stellte sich heraus, dass auch schwache lokale Beben 6 bis 9 Stunden vorher einen Ausschlag verursacht hatten. Die Fachzeitschrift EOS fand die Ergebnisse so spektakulär, dass sie eine Titelgeschichte darüber veröffentlichte. Doch die Fachwelt ist bis heute skeptisch. Ganz anders sieht es bei einer anderen Art von Prognose aus: Experten verstehen unter einer Vorhersage nämlich nicht nur die Angabe eines exakten Termins, sondern auch ein Zeitfenster oder eine Wahrscheinlichkeit. So lautet die Prognose für Istanbul: Die Wahrscheinlichkeit für ein Erdbeben der Magnitude 7 in den nächsten 30 Jahren beträgt 65 Prozent. Solche Aussagen sind einigermaßen zuverlässig, weil man die Spannungen im Untergrund inzwischen recht gut abschätzen kann. Eine der Grundregeln dabei: Jedes Erdbeben erhöht die Gefahr in den Nachbarregionen, weil dort die Spannung unweigerlich steigt. John McCloskey von der University of Ulster hat nach dem indonesischen Tsunami-Beben gewarnt, dass in der Nachbarschaft bald mit einem weiteren starken Erdstoß zu rechnen sei. Nur elf Tage später ereignete sich tatsächlich ein Beben der Magnitude 8,7. Auch in der Türkei kann man beobachten, wie sich die Gefahrenzone immer weiter nach Westen verschiebt – und nun die Millionenstadt Istanbul bedroht. Die Kenntnis der Wahrscheinlichkeit einer Katastrophe taugt zwar nicht zur Evakuierung, aber immerhin zur Vorsorge. Selbst wer nur die maximale Stärke des kommenden Bebens kennt, kann Gebäude und Infrastruktur entsprechend auslegen. Viele Experten halten inzwischen die Vorsorge für die wichtigste Aufgabe – wichtiger als eine Evakuierung –, weil sie nicht an die Möglichkeit einer präzisen Vorhersage in absehbarer Zeit glauben. Weltweit werden zurzeit „Risikokarten” ausgearbeitet, die nicht nur die speziellen Untergrundverhältnisse berücksichtigen, die das Schütteln verstärken oder abschwächen, sondern auch die Dichte und Art der Besiedlung. Sogar einzelne Gebäude wie Brücken oder Krankenhäuser werden dafür auf ihre Standfestigkeit hin abgeklopft. Wenn es aber darum geht, den Zeitpunkt für das nächste Beben festzulegen, verlieren die Aussagen an Schärfe: Je kleiner das angegebene Zeitfenster, desto unsicherer die Prognose. Der 85 Jahre alte Russe Wladimir Keilis-Borok, ein angesehener Wissenschaftler und Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften, prophezeite 2003, dass zwischen dem 5. Januar und dem 5. September 2004 Zentralkalifornien von einem Beben der Magnitude 6,4 erschüttert werde. Dabei stützte er sich auf statistische Analysen der Erdbebentätigkeit in dieser Region. Doch der Erdstoß blieb aus. Trotz aller Pannen und Enttäuschungen ist Vorhersage der Traum mancher Wissenschaftler geblieben. „Das ist die treibende Kraft der Forschung”, sagt Zschau. „Wenn sich die Forscher um diese wichtige Frage nicht kümmern”, meint auch Stefan Wiemer vom Schweizerischen Erdbebendienst, „überlassen sie das Feld den Pseudowissenschaftlern.” Hilfreich sind dabei die Forschritte der Messtechnik: Laserstrahlen messen Entfernungen hochpräzise, GPS-Sensoren registrieren jede Veränderung der Erdoberfläche, und die Radarinterferometrie zeigt vom Satelliten aus, wie sich ganze Landstriche bewegen. Das Netz der Erdbebenwarten wird dichter und fängt immer feinere Schwingungen auf. Der französische Mikrosatellit „Demeter” wurde eigens ins All gesandt, um elektromagnetische Erdbeben-Vorboten in der Ionosphäre aufzuspüren. Und die russische Sonde „Kompas 2″, im Mai 2006 gestartet, fahndet ebenfalls nach Anomalien. Doch können Sensoren der Schüttelei überhaupt auf die Spur kommen? Dieses Problem treibt Katastrophenforscher derzeit um. Denn in der Vergangenheit hat sich immer wieder gezeigt, dass auf die Erde kein Verlass ist. Vorboten, die bei einem Beben gemessen wurden, blieben beim nächsten aus. „Ein Phänomen alleine reicht wahrscheinlich nicht aus”, meint Zschau denn auch. Um Erfolg zu haben, müsse man wohl mehrere Messungen kombinieren. Außerdem unterscheiden sich die einzelnen Erdbebenregionen – und erfordern möglicherweise jeweils andere Methoden. In Japan, einer Subduktionszone – wo eine tektonische Platte unter die andere taucht –, herrschen andere Bedingungen als in Kalifornien, wo sich zwei Platten parallel zueinander verschieben. Und bei einem Magnitude-7-Beben gelten andere Gesetzmäßigkeiten als bei einem Magnitude-5-Beben. Doch selbst wenn Versuche der Bebenprognose nur zum Teil Erfolg hätten, besteht Hoffnung, viele Menschenleben zu retten und Sachschäden zu mindern. Trotz aller Rückschläge ist die Arbeit an Methoden zur Erdbebenvorhersage daher äußerst wichtig. bild der wissenschaft nennt auf den folgenden Seiten deren Stärken und Schwächen und beschreibt Vorläuferphänomene von Erdbeben und deren Erfolgschancen für die Vorhersage. ■ KLAUS JACOB, freier Wissenschaftsjournalist in Stuttgart, berichtet in bdw regelmäßig über brisante Themen der Geoforschung. Klaus Jacob Kompakt • Eine präzise Erdbebenvorhersage ist bisher nicht möglich und auch in den nächsten Jahren nicht zu erwarten. • Doch Experten suchen neue Wege, um der Natur in die Karten zu schauen. Signale aus dem Untergrund Prognose-methode: Seismik Seismographen sind das Basiswerkzeug der Erdbebenforscher, ähnlich wie die Kelle für den Maurer. Ohne die Aufzeichnungen der Erdbebenwarten wüsste man kaum etwas über die Vorgänge, die sich im Erdinneren bei einem Erdbeben abspielen. Die empfindlichen Apparate „blicken” tief in die Erde hinein und scannen den Untergrund wie ein Röntgengerät den Patienten. Dabei liefern sie ein räumliches Bild der Gesteinsschichten und zeigen vor allem, wo Störungszonen verlaufen, wo also überhaupt mit Erdbeben zu rechnen ist. Wer eine Gefahrenkarte erstellen will, ist auf diese Daten angewiesen. Noch kennt man längst nicht alle erdbebenträchtigen Verwerfungen. So sind Forscher in den USA gerade dabei, die Störungszonen im eigenen Land systematisch zu kartieren. Erdbebenwarten helfen aber auch direkt bei der Vorhersage. „ Die Seismik hat die besten Chancen, die Vorhersageforschung weiterzubringen”, ist Stefan Wiemer vom Schweizerischen Erdbebendienst überzeugt. Die Hoffnung stützt sich darauf, dass sich das ständige Knistern im Untergrund, die „ Mikrobebentätigkeit”, vor einem Erdbeben möglicherweise charakteristisch verändert – und somit als Vorbote genutzt werden kann. Amerikanische Wissenschaftler um Jeffrey McGuire vom Ozeanographischen Institut in Woods Hole haben an einer Störungszone im Ostpazifik ein besonderes Muster gefunden, das sich bei mehreren Beben zeigte. Es lässt sich aber wohl nicht eins zu eins auf andere Erdbebenzonen übertragen. Und es ist zweifelhaft, ob sich jedes Erdbeben durch die vorausgehende Mikrobebentätigkeit verrät. Die unscheinbaren Erschütterungen haben gegenüber anderen Vorläuferphänomenen auf jeden Fall einen entscheidenden Vorteil: Man kann sie aus großer Distanz registrieren. Das Freiwerden von Radon, die Verschiebung von Gesteinspaketen oder Veränderungen der Temperatur bleiben dagegen verborgen, wenn der Erdbebenherd in großer Tiefe liegt. Dann pausen sich die Veränderungen nicht bis zur Erdoberfläche durch, wo sie gemessen werden könnten. Auch wenn es nicht gelingen sollte, Erdbeben auf die Stunde genau vorherzusagen – die Seismik gibt immer wieder neue wertvolle Hinweise. So hat Wiemer zusammen mit Kollegen einen Weg gefunden, aus den seismischen Aufzeichnungen auf die Spannungen im Erdinneren zu schließen. Dabei spielt die Zahl schwacher im Verhältnis zu mittleren und starken Beben eine Rolle. Die Spannungen wiederum sind ein Maß für die Größe der Erdbebengefahr – und damit wichtig für die Vorsorge. Klaus Jacob ■ Verräterische Beulen Prognose-methode: Geodäsie Ganz Gemächlich, um einige Zentimeter pro Jahr – also nicht schneller als unsere Fingernägel wachsen –, bewegen sich die tektonischen Platten der Erdkruste über den Globus. Obwohl diese Dynamik letztlich alle Erdbeben verursacht, kann man sie erst seit wenigen Jahren kontinuierlich und millimetergenau feststellen – mit geodätischen Messungen durch das Global Positioning System (GPS). Allein in Japan arbeiten inzwischen rund 1000 GPS-Stationen rund um die Uhr. Ihre Aufzeichnungen haben die Vorstellung davon, wie Erdbeben entstehen, wesentlich verändert. Denn es hat sich gezeigt, dass sich tektonische Platten durchaus verschieben können, ohne dass die Erde spürbar bebt. Experten sprechen von stillen oder aseismischen Erdbeben. Die Bewegungen erfolgen dabei nicht ruckartig, wie bei einem gewöhnlichen Erdbeben, sondern gewissermaßen in Zeitlupe. Offenbar sind die benachbarten Plattenränder in weiten Teilen so glatt geschliffen, dass sie mühelos aneinander vorbeigleiten können. Wissenschaftler hoffen, diese stillen Erdbeben zur Erdbebenvorhersage nutzen zu können. Ein Freiluftlabor, um das Phähnomen auf kleinem Raum und im Zeitraffer genauer zu erkunden, bietet Hawaii. Hier reiben sich zwar keine tektonischen Platten aneinander, aber ein kilometerdickes Gesteinspaket gleitet langsam vom Vulkan Kilauea herunter. In den letzten Jahren hat sich die Flanke immer wieder spontan um mehrere Millimeter vorgeschoben – ohne dass die Erde zitterte. Bald darauf registrierten die Seismographen jeweils einen Schwarm schwacher Erdstöße. Stille Erdbeben könnten demnach gefährliche Erdbeben anstoßen – also auch bei der Vorhersage helfen, hoffen die Wissenschaftler. Darauf setzen vor allem die Japaner, denen ein schweres Erdbeben im Großraum Tokio ins Haus steht. Vor der japanischen Inselkette schiebt sich an einer Subduktionszone leichte ozeanische Erdkruste unter die schwere kontinentale. Das läuft meist wie geschmiert. Doch an einzelnen Stellen verhaken sich die Platten, sodass sich dort immer mehr Spannung aufbaut. Sobald die kritische Bruchspannung erreicht ist, bebt die Erde. Dabei kann es zu einer Art Dominoeffekt kommen, weil immer mehr dieser „ Haken” brechen. Ein stilles Erdbeben löst also wohl zunächst ein schwaches Erdbeben aus – aber das wiederum ein schweres. Die Wissenschaftler hoffen, diese Dynamik zu entschlüsseln – und die Vorgänge im Untergrund simulieren zu können. Helfen würde ihnen dabei, dass sich stille Erdbeben an einen bestimmten Rhythmus halten, wie die Beobachtung gezeigt hat. Klaus Jacob ■ Zeichen am Himmel Prognose-methode: Messungen in der Ionosphäre „Es wird gewaltige Erdbeben und an vielen Orten Seuchen und Hungersnöte geben; schreckliche Dinge werden geschehen und am Himmel wird man gewaltige Zeichen sehen.” Jesus’ Worte aus dem Lukas-Evangelium (21, 11) wirken wahrhaft prophetisch: Nach dem schweren Alaska-Erdbeben vom 27. März 1964 „sahen” Wissenschaftler tatsächlich Zeichen am Himmel. Und nach dem Beben, das am 26. April 1966 große Schäden in der Innenstadt von Taschkent in Usbekistan anrichtete, stellten Forscher erstmals fest, dass diese Zeichen – nämlich Veränderungen der elektromagnetischen Eigenschaften der Ionosphäre – bereits einige Tage vor dem Beben aufgetaucht waren. „Nach einigen Fehlschlägen zu Beginn der Neunzigerjahre war das Wort ‚Erdbebenvorhersage‘ mit einem Tabu belegt. Erst seit wenigen Jahren trauen einige Wissenschaftler sich wieder, es in den Mund zu nehmen”, sagt Sergey Pulinets von der Universität Mexiko. Er beschäftigt sich seit 30 Jahren mit der Erforschung der Ionosphäre – also der leitfähigen Atmosphärenschicht, die in einer Höhe von etwa 50 Kilometern beginnt. Seit etwa 15 Jahren untersucht er systematisch Veränderungen in der Ionosphäre, die Forscher immer wieder einige Tage vor einem Erdbeben beobachten. In den vergangenen Jahren haben Pulinets und seine Kollegen das Auftreten von Erdbeben detailliert mit Daten der Ionosphäre verglichen, die zum Teil von Satelliten und zum Teil vom Boden aus gemessen wurden. Eine mit heutigen Mitteln relativ leicht zu messende Eigenschaft der Ionosphäre ist ihr Gehalt an freien Elektronen. Beispielsweise verändern sich die Signale von GPS-Satelliten je nach dem Elektronengehalt der Atmosphärenschichten, die sie durchlaufen. Aus den mit GPS-Receivern empfangenen Signalen kann der Gesamtelektronengehalt der vom Signal durchlaufenen Luftsäule berechnet werden. Da außerhalb der Ionosphäre kaum freie Elektronen vorhanden sind, entspricht dieser Wert etwa dem Elektronengehalt der Ionosphäre. Etwa fünf bis sieben Tage vor einem Erdbeben verändert sich dieser Wert. Das konnte Pulinets unter anderem anhand der schweren Erdbeben vom 21. Januar 2003 bei Colima in Mexiko und vom 20. Januar 2001 bei Bhuj im indischen Bundesstaat Gujarat nachweisen. Aber: Dieses Phänomen taucht nicht vor jedem Erdbeben auf, und es ist nur dann problemlos nachzuweisen, wenn der Normalzustand der Ionosphäre nicht gleichzeitig von anderen Einflüssen gestört wird – zum Beispiel von Sonnenstürmen. So lässt Pulinets denn auch keinen Zweifel daran, dass Erdbebenvorhersagen noch nicht möglich sind: „Wir müssen zunächst die physikalischen Wirkmechanismen besser verstehen.” Die groben Zusammenhänge sind bereits bekannt: „Wenige Tage vor einem Erdbeben ist die Spannung in der Erdkruste maximal”, erklärt Pulinets. „Es entstehen kleine Brüche, die sich mit Grundwasser füllen. Das Wasser transportiert das radioaktive Edelgas Radon zur Erdoberfläche.” Das Radon ionisiert mit seiner Alphastrahlung Luftmoleküle, wodurch ein anomales elektrisches Feld erzeugt wird, das wesentlich stärker ist als das unter Normalbedingungen in der Atmosphäre vorhandene Feld und dieses deshalb verändert. Dieses so genannte „Schönwetterfeld” ist ein schwaches elektrisches Feld, das bei Wetterlagen ohne Gewitterstörungen zwischen dem Erdboden und der Ionosphäre liegt. Die Veränderungen dieses elektrischen Feldes in Erdbodennähe vor einem Beben verursachen die beobachteten Schwankungen im Elektronengehalt der Ionosphäre – ähnlich wie in einem elektrischen Stromkreis die Änderung einer Größe an einer bestimmten Stelle Auswirkungen auf den gesamten Stromkreis hat. Den bekannten Zusammenhang zwischen Veränderungen in der Ionosphäre und der schwankenden Empfangsqualität von Radiosignalen macht sich Masashi Hayakawa von der Universität für Kommunikationstechnik in Tokio zunutze. Die Radiowellen werden je nach Frequenzbereich mehr oder weniger stark an der Ionosphäre reflektiert. Die Ionosphäre unterliegt erheblichen tageszeitlichen Schwankungen, da sie von der Strahlung der Sonne erzeugt wird und ihre Dicke deshalb tagsüber zu- und nachts abnimmt. Nach Sonnenuntergang wird die D-Schicht, die unterste relevante Schicht der Ionosphäre, abgebaut und nach Sonnenaufgang wieder aufgebaut. „Deshalb werden Radiosignale im VLF-Bereich tagsüber in einer Höhe von 70 Kilometern zur Erde zurückreflektiert, nachts aber in einer Höhe von 80 bis 90 Kilometern”, erklärt Hayakawa. VLF- oder Längstwellen nennt man Radiowellen im Bereich von 3 bis 30 Kilohertz. Man kann die Änderung der Ionosphärenhöhe nachweisen, indem man die Überlagerung des an der Ionosphäre reflektierten VLF-Signals mit dem Signal vermisst, das am Boden den direkten Weg zwischen Sender und Empfänger zurückgelegt hat. Hayakawa hat die täglichen Höhenänderungen der Ionosphäre in einem Zeitraum von 13 Jahren ausgewertet und auf einen Zusammenhang mit Erdbeben hin untersucht. Er bediente sich dazu des VLF-Signals, das von einer für die Schifffahrt genutzten Funknavigationsstation auf der japanischen Insel Tsushima ausgestrahlt wurde. Der Empfänger befand sich etwa 1000 Kilometer entfernt in Inubo, etwa 100 Kilometer östlich von Tokio. Das Ergebnis: Bei 9 von 11 Erdbeben mit einer Magnitude von mehr als 6 und einer Herdtiefe von maximal 50 Kilometern fand Hayakawa ein anomales Verhalten in den Höhenänderungen der Ionosphäre, das sich ein bis fünf Tage vor dem jeweiligen Beben bemerkbar machte. Die Ionosphäre war sowohl tagsüber als auch nachts ausgedehnter und reichte tiefer zum Erdboden. „Den Grund für das Absinken der Ionosphäre kennen wir allerdings noch nicht” , sagt Hayakawa. Doch er vermutet genau wie Pulinets, dass Radon, das vor einem Beben aus dem Boden tritt, über eine Veränderung des Schönwetterfeldes die Ionosphäre beeinflusst. Da dieser Ionosphären-Effekt nur feststellbar ist, wenn die Erde nicht mehr als etwa 50 Kilometer von der Verbindungslinie zwischen Sender und Empfänger entfernt bebt, hat Hayakawa Japan inzwischen mit einem Netzwerk aus VLF-Sendern und Empfängern überzogen: „Damit können wir die Störungen in der Ionosphäre mit einer Genauigkeit von etwa 100 Kilometern lokalisieren.” Hayakawa lehnt sich mit seiner Prognose weit aus dem Fenster: „Mein Gefühl sagt mir, dass wir bald in der Lage sind, ein Erdbeben vorherzusagen.” Axel Tillemans ■ Fiebernde Erde Prognose-methode: Temperaturbestimmung der bodennahen Atmosphäre Sechs Tage vor dem schweren Erdbeben bei Bhuj im indischen Bundesstaat Gujarat, das am 20. Januar 2001 rund 20 000 Menschenleben forderte, maßen Erdbeobachtungssatelliten einen Temperaturanstieg um bis zu vier Grad Celsius entlang der Hauptbruchzone des späteren Bebens. Diese Beobachtung einer „ fiebernden” Erde wenige Tage vor einem Erdbeben ist kein Einzelfall. Seit mehr als zwei Jahrzehnten versuchen Forscher dieses Phänomen zu verstehen. „Es ist möglich, dass eine solche Temperaturerhöhung vor jedem Erdbeben auftritt”, sagt Dimitar Ouzounov vom NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt. „Das versuchen wir zurzeit herauszufinden. Wir befinden uns dabei im Übergang von Einzelfalluntersuchungen zu einer globalen statistischen Analyse.” Ouzounov hat zusammen mit seinen Kollegen einige starke Erdbeben zwischen 1999 und 2003 untersucht. Den Forschern standen die Infrarot-Daten etlicher Wettersatelliten zur Verfügung, mit denen sie die zeitlichen Änderungen der Bodentemperatur und der Temperatur der bodennahen Atmosphäre verfolgen konnten. Eine Gemeinsamkeit aller untersuchten Erdbeben war, dass die Temperaturanomalie zuerst entlang der Hauptbruchzone auftrat und insgesamt eine Fläche mit einem Radius von etwa 100 Kilometern um das Epizentrum überdeckte. Doch Hoffnungen darauf, mit dieser Methode Erdbeben bald verlässlich vorhersagen zu können, werden durch die Ergebnisse des Ouzounov-Teams gedämpft. Denn um die Temperaturanomalie mit Satelliten zuverlässig erkennen zu können, müssen optimale Bedingungen herrschen: Der Himmel muss wolkenfrei sein, und auf dem Boden sollte es nur eine niedrige Vegetation geben. „Möglicherweise kann dieses Problem in Zukunft überwunden werden”, sagt Ouzounov. „Doch eine Aussage darüber, wann wir mit diesem Verfahren zuverlässige Erdbebenvorhersagen produzieren können, wäre reine Kaffeesatzleserei.” Da liest sich eine wissenschaftliche Veröffentlichung von Zu-ji Qiang von der Chinesischen Erdbebenbehörde in Peking bedeutend forscher. Qiang behauptet, von 1990 bis 2000 mit 149 Erdbebenvorhersagen aufgrund von Satelliten-Infrarotdaten 100 „Treffer” gelandet zu haben. Diese Vorhersagen wurden nicht publiziert, aber Qiang meldete sie zur Gegenkontrolle an eine staatliche Behörde. „Qiangs Arbeit ist außerhalb Chinas nicht gut dokumentiert. Ich habe Probleme damit, seine Ergebnisse nachzuvollziehen”, sagt Ouzounov. Ähnlich äußert sich Birger-Gottfried Lühr, der im Geoforschungszentrum Potsdam in der Sektion „Erdbebenrisiko und Erdbebenfrühwarnung” forscht: „Ein Kollege von mir, Rongjang Wang, wurde im persönlichen Gespräch mit Professor Qiang nicht von der Signifikanz dieser Methode überzeugt.” Kritiker werfen Qiang vor allem vor, dass er die vielfältigen Faktoren, die die Temperatur in einer Region beeinflussen, in seiner Arbeit nicht umfassend genug berücksichtigt. Das Team um Vasyl Ivchenko, Professor für Astrophysik und Physik der oberen Atmosphäre an der Universität Kiew, verfolgt einen anderen Ansatz: Er untersucht nicht die bodennahen Temperaturen vor Erdbeben, sondern Temperaturänderungen in höheren Atmosphärenschichten. Seine Analyse von 234 Beben zwischen 1991 und 1994 ergab einen eindeutigen Zusammenhang zwischen den Erdbeben und einer Temperaturerhöhung, die wenige Stunden vor dem jeweiligen Beben in etwa 90 Kilometer Höhe auftauchte. Um falschen Erwartungen vorzubeugen, betont Ivchenkos Mitarbeiterin Lyudmila Kozak den statistischen Charakter des Resultats: „Damit haben wir leider nicht bewiesen, dass die Temperaturerhöhungen vor jedem Erdbeben auftreten – und das Ergebnis bedeutet erst recht nicht, dass auf jede Temperaturerhöhung mit Sicherheit ein Erdbeben folgt.” Ein weiterer Mangel ist die fehlende Erklärung für den physikalischen Wirkmechanismus. Die Forscher spekulieren über einen „lokalen Treibhauseffekt”, der von Gasen erzeugt wird, die vor einem Erdbeben aus dem Boden gepresst werden. Die dadurch in der Nähe des Erdbodens erwärmte Luft würde sich ausdehnen und in der Atmosphäre eine Dichtewelle erzeugen, die sich nach oben ausbreitet. Diese Welle könnte die Tropopause – eine Atmosphärengrenzschicht in rund zehn Kilometer Höhe – durchdringen und somit Energie in höhere Atmosphärenschichten transportieren, die wiederum über Turbulenzen in Wärme umgewandelt wird. Ivchenko meint bescheiden: „Wir verstehen unsere Arbeit als einen ersten Schritt zum Verständnis der physikalischen Vorgänge vor einem Erdbeben. Und vielleicht ist es ein ‚nullter‘ Schritt auf dem Weg zur Erdbebenvorhersage.” Axel Tillemans ■ Angst vor Veränderungen Prognosemethode: Automatische Mustersuche Manche Menschen fühlen sich nicht wohl, wenn die Dinge anders laufen als gewohnt. Dem von Erdbebenforschern der George Mason University in Fairfax entwickelten Computerprogramm CQuake ergeht es ähnlich. CQuake durchforstet unablässig Daten, die ihm Erdbeobachtungssatelliten und Bodenmessstationen melden. Entdeckt CQuake in einer bestimmten Region der Erde ungewöhnliche Veränderungen in den Daten, dann schlägt es Alarm: Hier droht in wenigen Tagen ein Erdbeben. Doch von diesem Alarm erfährt die Öffentlichkeit nichts. „Der Vorhersagemodus von CQuake ist noch weit davon entfernt, als zuverlässiges Erdbebenfrühwarnsystem arbeiten zu können”, schränkt Guido Cervone ein, einer der Väter des Programms. „ CQuake ist ein Forschungswerkzeug, das uns Wissenschaftlern dabei hilft, die Vorboten von Erdbeben zu studieren und die physikalischen Zusammenhänge zu verstehen.” Diese Vorboten sind ungewöhnliche Abweichungen vom Mittelwert verschiedener Parameter wie der Temperatur oder des Wasserdampfgehalts der Atmosphäre. Im Gegensatz zu anderen Vorhersage-methoden benötigt CQuake keine Hypothesen über die physikalischen Wirkmechanismen, die Tage vor den Erschütterungen die Atmosphäre verändern. CQuake interessiert nicht, wie diese Anomalien kausal mit dem bevorstehenden Erdbeben zusammenhängen. Das Programm sucht vielmehr systematisch nach statistischen Auffälligkeiten, die auf einen Zusammenhang zwischen einer bestimmten Art von Anomalie und einem Erdbeben hindeuten. Dazu dient der Analysemodus von CQuake, der im Gegensatz zum Vorhersagemodus nicht versucht, Beben zu prognostizieren, sondern alle 20 Minuten aktuelle, weltweit erhobene seismische Daten vom US-Erdbebendienst USGS erhält. Der Analysemodus arbeitet mit den Methoden des maschinellen Lernens und des Data Mining, des „Schürfens von Daten”. Cervone, von Haus aus Informatiker, erklärt: „Data Mining ist eine relativ junge Teildisziplin der Informatik. Ihr Ziel ist das Erkennen von Mustern und Beziehungen innerhalb riesiger Datenmengen. Maschinelles Lernen ist eine Technik, die Computeralgorithmen nutzt, um aus Daten ‚Wissen‘ zu gewinnen.” Zu diesem Zweck gibt sich CQuake nicht mit dem Auffinden der Anomalien eines einzelnen Parameters zufrieden, sondern durchforstet die Daten auf Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Variablen. „Die Beobachtung und Analyse eines einzelnen Parameters reicht für eine zuverlässige Erdbebenvorhersage nicht aus”, erläutert Cervone. „Wir versuchen, Parameter wie Temperaturänderungen, Gasemissionen und elektromagnetische Veränderungen in der Ionosphäre miteinander zu kombinieren, um Erdbeben vorhersagen zu können.” Cervone weiter: „Obwohl wir nach allgemeinen globalen Zusammenhängen zwischen jedem einzelnen Parameter und Erdbeben suchen, studieren wir außerdem jede Erdregion individuell. Denn aufgrund verschiedenartiger tektonischer Verhältnisse unterscheiden sich die kausalen Wirkmechanismen zwischen Land, Ozean und Atmosphäre von Region zu Region beträchtlich.” Folglich muss der Analysemodus von CQuake nicht nur lernen, welche Anomalien ein Erdbeben ankündigen, sondern er muss dies für jede Region der Erde getrennt tun. Derzeit konzentriert sich der Vorhersagemodus von CQuake auf sieben seismisch besonders aktive, jeweils etwa 1000 Quadratkilometer große Regionen in Japan, Kalifornien, Taiwan, der Türkei und Mexiko, auf die Region Italien-Griechenland und auf die zu Indien gehörenden Andamanen. Während die grafisch aufbereitete Analyse der etwa 1500 seit Januar 2004 von CQuake untersuchten Erdbeben wenige Tage nach dem jeweiligen Ereignis im Internet veröffentlicht wird, stehen die „ Vorhersagen” nur interessierten Wissenschaftlern zur Verfügung. „ Denn”, betont Cervone, „die Aufgabe unseres Projekts ist es, zu verstehen, welche Anomalien auf ein Erdbeben hinweisen und welche auf irgendetwas anderes – und diese Aufgabe haben wir noch nicht gelöst. Wenn wir die Anomalien und die Mechanismen, von denen sie verursacht werden, verstanden haben, werden wir uns daran machen, ein funktionsfähiges System zu entwickeln. Doch das ist noch ein weiter Weg.” Axel Tillemans ■ Ohne Titel speziell zur vorhersage von Erdbeben wurde das Computerprogramm CQuake entwickelt. Nach einem Beben erstellt es eine Grafik, die zeigt, an welchen Tagen davor in definierten Gitterquadraten (hier mit Zahlen bezeichnet) Anomalien – zum Beispiel der Temperatur – aufgetaucht sind. Aus dem Vergleich dieses Musters mit dem anderer Erdbeben versucht CQuake zu lernen, wie ein Muster aussieht, dem ein Erdbeben folgt. Das hier untersuchte Beben fand am 2. November 2006 östlich von Neuguinea (am linken Bildrand gelegen) statt und hatte eine Magnitude von 5,4. Die weißen Kreise markieren das Epizentrum, die roten Punkte diverse Beben. Die Farben symbolisieren Höhenmeter – von minus 6000 (dunkelblau) bis 3000 (gelb). Lesen Zu Erdbeben-Prognosemethoden mittels ionosphärischer Veränderungen: Sergey Pulinets, Kirill Boyarchuk Ionospheric Precursors of Earthquakes Springer, Heidelberg 2005, € 99,95 Internet Allgemeine Informationen zur Erdbebenvorhersage mit weiterführenden Links: www.ess.washington.edu/recenteqs/ latest.htm Erdbebenzentrum des US Geological Survey: earthquake.usgs.gov/eqcenter/ 24-Stunden-Vorhersage für Kalifornien: pasadena.wr.usgs.gov/step/ Homepage von Dimitar Ouzounov: eospso.gsfc.nasa.gov/directory/eos/get_dir_listing.php?id=135 Homepage von Masashi Hayakawa: seismo.ee.uec.ac.jp/english/members/hayakawa.html Homepage von Vasyl Ivchenko: space.univ.kiev.ua/staff/Ivchenko.html Homepage von Sergey Pulinets: tonatiuh.igeofcu.unam.mx/~pulse/ Homepage von Guido Cervone: cervone.gmu.edu/index.html Homepage von CQuake mit einer Liste der analysierten Erdbeben: crete.gmu.edu/cquake/analysis/all.html © wissenschaft.de – Klaus Jacob