Starke Erdbeben verändern die Erdanziehungskraft. Das konnten Forscher jetzt anhand des schweren Bebens nachweisen, das 2004 den katastrophalen Weihnachts-Tsunami auslöste.
Die Erde ist platt. Nicht sehr stark, aber immerhin: Am Äquator ist sie rund 20 Kilometer dicker als an den Polen. Die Ursache dafür ist ihre Eigendrehung, die eine Fliehkraft erzeugt. Ein 70 Kilogramm schwerer Mensch bringt deshalb am Äquator etwa 350 Gramm weniger auf die Waage als an den Polen – zum einen, weil er dort weiter vom Erdmittelpunkt entfernt ist, zum anderen, weil die Fliehkraft versucht, ihn ins All zu schleudern.
Doch nicht nur die Form der Erde, sondern auch ihre Dichte im Untergrund beeinflusst die Stärke der Erdanziehung: Dichteres Gestein im Erdinnern erzeugt wegen seiner größeren Masse eine größere Schwerkraft. Und: Erdbeben können diese Dichte ändern – zwar nicht wesentlich, aber messbar. Ein US-Forscherteam um Shin-Chan Han von der Ohio State University in Columbus hat das jetzt großräumig nachgewiesen.
Frühere Studien stellten bereits Schwerkraftänderungen nach Erdbeben an bestimmten Orten fest. Diese Messungen fanden freilich am Boden statt. Das Team um Han nutzte dagegen die Messdaten der beiden Zwillingssatelliten Tom und Jerry des deutsch-amerikanischen Satellitensystems GRACE (Gravity Research and Climate Experiment). Diese beiden Satelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von etwa 450 Kilometern auf derselben, nahezu kreisförmigen Umlaufbahn. Sie fliegen dabei etwa 220 Kilometern hintereinander. Wäre die Erde eine ideale Kugel mit gleichförmiger Massenverteilung, dann bliebe der Abstand zwischen den beiden Satelliten immer genau gleich groß. Nähern sich die Satelliten aber einer Region mit erhöhter Schwerkraft, beispielsweise verursacht von einem Bergmassiv, dann spürt der erste Satellit die stärkere Anziehung zuerst. Er wird beschleunigt und entfernt sich ein wenig von dem zweiten Satelliten. Etwas später, während der erste Satellit das Bergmassiv schon passiert hat, wird der zweite Satellit beschleunigt, wodurch sich der Abstand zwischen den beiden wieder verringert.
Mikrowellensender und -empfänger an Bord der Satelliten messen diese Abstandsänderungen mit einer Präzision von einem Mikrometer pro Sekunde, das ist weniger als die Dicke eines menschlichen Haares. „Mikrowellen werden von der dünnen Atmosphäre in Höhe der Satelliten kaum beeinträchtigt”, erklärt Han. „Aus dem Ergebnis müssen allerdings noch die Anteile herausgerechnet werden, die von anderen Kräften als der Schwerkraft herrühren, beispielsweise vom Luftwiderstand. Dabei helfen Beschleunigungsmesser an Bord der Satelliten.” Aus den Daten wird einmal im Monat eine aktuelle Karte des Gravitationsfelds der ganzen Erde erstellt.
Eine spektakuläre Beobachtung machten Han und seine Kollegen, als sie das von GRACE ermittelte Gravitationsfeld in der Sumatra-Region vor und nach dem großen Beben vom 26. Dezember 2004 miteinander verglichen und periodische Veränderungen herausrechneten, beispielsweise verursacht durch die Gezeiten oder durch jahreszeitliche Wasserverlagerungen.
Das Ergebnis: Auf der Kontinentalseite des Javagrabens hatte sich die Gravitation um 1,5 Millionstel Prozent verringert. Das ist eine Meisterleistung der Messgenauigkeit, wenn man bedenkt, dass dieser Betrag für einen 70 Kilogramm schweren Menschen eine Gewichtsabnahme von nur einem Tausendstel Gramm bedeuten würde. Auf der Ozeanseite erhöhte sich die Schwerkraft um den gleichen Betrag. Entlang des Javagrabens schiebt sich die indisch-australische Platte unter die eurasische Platte – die Ursache für das Beben und den nachfolgenden Tsunami.
Han und seine Kollegen setzen in diese Beobachtungen große Hoffnungen: Wenn die Präzision derartiger Gravitationsmessungen weiter verbessert wird, könnten sie eines Tages – gemeinsam mit anderen seismischen und geodätischen Daten – zur Vorhersage von Erdbeben dienen. „Denn vor einem Erdbeben erhöht sich die Spannung in der Erdkruste – und damit auch die Dichte.”
Schon bald wird es möglich sein, die irdische Gravitation genauer zu vermessen als heute: Im Sommer 2007 will die Europäische Raumfahrtagentur ESA den GOCE-Satellit (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) starten, der noch Schwerkraftunterschiede von 10–5 Meter pro Sekunde im Quadrat (Milligal) feststellen kann – damit ist er 100-mal so genau wie GRACE. Dadurch werden sich Abweichungen vom Geoid – der idealisierten Schwerefeldfigur der Erde (siehe Bild linke Seite) – auf ein bis zwei Zentimeter genau bestimmen lassen. Im Gegensatz zu GRACE besteht GOCE nur aus einem Satelliten. Die Messungen erfolgen mit Laserstrahlen vom Erdboden aus, die der mit GPS-Empfängern bestückte Satellit in 250 Kilometer Höhe reflektieren wird. ■
Axel Tillemans
Ohne Titel
Die Erdanziehung ist nicht überall gleich stark, sondern hängt von zahlreichen Faktoren ab, auch von der Dichte des Gesteins. Die Computergrafik zeigt Abweichungen vom Geoid – der idealisierten Erdoberfläche, auf der die Schwerkraft überall gleich groß ist und die bei den Ozeanen dem mittleren Meeres- spiegel entspricht. So gesehen ähnelt unsere Erde einer Kartoffel: Die farbigen Beulen und Dellen zeigen Abweichungen zwischen plus 70 Gal (dunkelrot) und minus 70 Gal (dunkelblau). Die nach Galilei benannte Einheit Gal entspricht einem Hundertstel Meter pro Sekunde zum Quadrat. Die mittlere Erdbeschleunigung beträgt 981 Gal. Die Daten wurden von dem deutsch- amerikanischen Doppelsatelliten GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) gemessen.
Ohne Titel
Das grosse Seebeben im Indischen Ozean vom 26. Dezember 2004 veränderte die Stärke der Erdanziehungskraft dort – zwar nur geringfügig , aber doch mit Satelliten messbar. Östlich des Javagrabens (Kreise) nahm die Erdanziehung bis 15 Millionstel Gal ab (dunkelblau), westlich davon nahm sie bis um den gleichen Betrag zu (hellrosa). Das bedeutet eine Änderung um jeweils 1,5 Millionstel Prozent. Zur Orientierung: Die große Insel östlich vom Javagraben in der unteren Hälfte des Bildes ist Sumatra. Die Dreiecke und Quadrate kennzeichnen geologische Verwerfungen beziehungsweise Tiefseerücken. Die farbige Skala unten gibt Schwerkraft-Differenzen in Millionstel Gal an. Die Daten stammen von den beiden Zwillingssatelliten Tom und Jerry des deutsch-amerikanischen Systems GRACE.
