Frühe Warnung vor Tsunamiwellen

Die Tsunamikatastrophe von 2004 im Indischen Ozean hat die Menschen in der Region aufgeschreckt. Seitdem wurde dort unter der Leitung des Deutschen Geoforschungszentrums GFZ in Potsdam ein Frühwarnsystem aufgebaut. Der Schwerpunkt liegt auf Indonesien. Seismometer, Bojen, Ozeansensoren, Küstenpegel und Satelliten liefern entscheidende Daten, die innerhalb von wenigen Minuten in gezielte Warnhinweise umgesetzt werden. Besonders wichtig ist, dass die Behörden und die Menschen vor Ort lernen, was sie tun sollen, wenn der Alarm ertönt. Alle Komponenten des Frühwarnsystems müssen ineinander greifen, damit sich die Katastrophe nicht eines Tages wiederholt.

Erdbebenzone am Sundabogen

Der Tsunami vom 26.12.2004 im Indischen Ozean war verheerend. Mehr als 200.000 Menschen kamen ums Leben. Ausgelöst wurde der Tsunami vom drittstärksten Erdbeben der vergangenen hundert Jahre mit einer Stärke von 9,3 auf der nach oben offenen Richterskala vor der Küste Nordsumatras. Die Katastrophe ereilte die betroffenen Regionen völlig unvorbereitet. Es gab keine Alarmpläne oder Evakuierungspläne. Zwar veröffentlichten mehrere Organisationen bereits nach zwölf Minuten erste Meldungen über den Ort und die Stärke des Bebens im Internet. Doch schon nach weniger als 20 Minuten erreichte die erste Tsunami-Welle den Strand von Banda Aceh im Norden Sumatras und führte dort zu verheerenden Verwüstungen. Selbst eineinhalb Stunden nach dem Erdbeben, als die erste Welle Thailand erreichte, und zwei Stunden nach dem Beben, als Sri Lanka getroffen wurde, waren noch keine verlässlichen Meldungen an Behörden vor Ort weitergeleitet worden – oder die vorliegenden Meldungen konnten nicht in Maßnahmen umgesetzt werden.

Unmittelbar nach dem Desaster legte ein Konsortium deutscher Forschungseinrichtungen unter Federführung des Deutschen Geoforschungszentrums GFZ in Potsdam der Bundesregierung ein Konzept zur Einrichtung eines Tsunami-Frühwarnsystems im Indischen Ozean vor. Seit März 2005 wird es mit Schwerpunkt in Indonesien umgesetzt (German Indonesian Tsunami Warning System, kurz GITEWS).

Die geologische Situation von Indonesien stellte eine große Herausforderung dar: Im Indischen Ozean senkt sich die Indisch-Australische Platte am Sundabogen mit einer Geschwindigkeit von 6 bis 7 cm pro Jahr unter die Eurasische Platte ab. Besonders heikel ist die Tatsache, dass die Erdbebenzone weitgehend parallel und in dichtem Abstand zur Küste des Landes über eine Länge von mehreren tausend Kilometern verläuft. Darum liegen die Vorwarnzeiten vor einem Tsunami zwischen 20 und 40 Minuten. Aus dieser Konstellation erklärt sich der schließlich gewählte Aufbau des Frühwarnsystems.

Erdbebenüberwachung

Die Komponenten des Tsunamiwarnsystems

Das Rückgrat des Frühwarnsystems ist das System zur Beobachtung von Erbeben. Mit einem Netz von Seismometern werden die Erdbeben gemessen. Parallel werden die Verschiebungen der Erdoberfläche mit Hilfe von Stationen überwacht, die das Satellitennavigationssystem GPS verwenden. Der Ort der Seismometer und der Aufbau des Netzwerks wurden so gewählt, dass ein Erdbeben – ganz gleich wo es auftritt – innerhalb von zwei Minuten an mindestens drei Stationen des Netzes registriert wird. So kann ein Erdbeben sehr schnell geortet werden.

Mittlerweile gibt es mehr als 120 seismische Stationen in Indonesien. Mitte 2007 wurde außerdem das Erdbebenfrühwarnzentrum in Jakarta in Betrieb genommen, an das per Satellitenkommunikation etwa 300 internationale Erdbebenstationen in der Region des Indischen Ozeans angeschlossen sind. Mit diesem System können Erdbeben innerhalb von drei bis vier Minuten sicher auf 20 bis 30 Kilometer genau lokalisiert werden. Dabei wird auch gleichzeitig die Stärke des Bebens berechnet. Die Warnung des Erdbebenüberwachungssystems ist aber nur der erste Schritt – sie löst die weitere Erfassungs- und Aktionskette aus.

Erkennung und Größenvorhersage mit ozeanographischen Methoden

Nicht jedes Erdbeben ruft einen Tsunami hervor. Wenn man alle Erdbeben berücksichtigen würde, gäbe es oft Fehlalarme. Um diese zu vermeiden, muss die vom Erdbeben erzeugte Welle ozeanographisch vermessen werden. Das macht man mit Ozeanboden-Druckpegeln und mit speziell ausgerüsteten GPS-Bojen. Sie wurden an 10 strategisch wichtigen Stellen entlang der West- und Südküste Indonesiens installiert.

Ozeanbodeneinheit mit Drucksensor

Die ozeanographischen Messsysteme bestehen jeweils aus einer Ozeanbodeneinheit und einer Boje an der Meeresoberfläche. Zur Registrierung der Tsunamiwellen wird ausgenutzt, dass die Wellen Druckänderungen am Ozeanboden hervorrufen. Der tiefe Ozean wirkt wie ein Filter, der Druckänderungen durch Oberflächenwellen und den normalen Seegang herausfiltert. Die Ozeanbodeneinheit ist mit einem Drucksensor, einem Prozessrechner, einer Datenspeichereinheit sowie einem Kommunikationsmodem für die akustische Übertragung der Daten zur Boje ausgerüstet.

Die über der Ozeanbodeneinheit verankerte Boje überträgt die Daten via Kommunikationssatellit an ein Datenzentrum. Daher ist sie mit einem Empfängermodem für die akustischen Signale der Ozeanbodeneinheit, einem Bordrechner, einer Datenspeichereinheit und Satellitenkommunikation ausgerüstet. Batterien und Solarzellen versorgen die Boje mit Energie.

Warnboje mit Solarzellen

Die Boje selbst kann mit GPS-Messungen ihrer vertikalen Position auch Seegangsdaten aufzeichnen. Das registrierte Signal ist eine Überlagerung des normalen Seegangs und der Tsunamiwelle. Weil der normale Seegang aber deutlich kürzere Wellenlängen als Tsunamiwellen aufweist, lassen sich die beiden Effekte durch mathematische Filterung trennen. So erlaubt die Boje eine von der Druckmessung unabhängige Methode zur Registrierung einer Tsunamiwelle, was die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht.

Ergänzt werden die ozeanographischen Messungen durch Beobachtungen von Küstenpegeln, die im Falle Indonesiens auf den Sumatra und Java vorgelagerten Inseln und auf anderen Inseln im Indischen Ozean installiert werden.

Simulation der Tsunamiwellen

Wann ein Tsunami an den Küsten aufläuft und wie hoch die Wellen sich auftürmen, lässt sich durch Modellrechnungen ermitteln. Darüber hinaus liefern die Simulationen detaillierte Informationen über das Schadenspotential des Tsunami und örtliche Unterschiede in der Auswirkung. Würde man die Simulationen für das gesamte Indische Ozeanbecken erst starten , nachdem das Erdbeben bereits passiert ist, wären sie nicht rechtzeitig für die Warnung fertig. Deshalb führt man bereits im Vorfeld zahlreiche Simulationen durch. Dabei wird eine große Vielfalt an möglichen Epizentren entlang des Sundabogens sowie an möglichen Bebenstärken und Erdbebenrisslängen berücksichtigt. In einer Datenbank werden die Simulationen gesammelt.

Sobald das Überwachungssystem für die Erdbeben und die ozeanographischen Messungen einen Tsunami anzeigen, wird mit den gemessenen Parametern die am besten geeignete Simulation aus der Datenbank ausgewählt. Die Parameter, die dazu genutzt werden, sind der Ort des Erdbebens, die Bebenmagnitude, die Deformation der Erdkruste und die Wellenhöhe im tiefen Ozean. Die Simulationen wiederum enthalten Informationen zu Ankunftszeiten, Wellenhöhen am Strand und Überflutungsbereichen

Aus der am besten passenden Simulation wird dann eine Gefährdungskarte für die betreffenden Küstenabschnitte erstellt. Zusammen mit weiteren Daten – etwa zur Besiedlung – ergibt sich ein erstes Lagebild für die Behörden und die Bevölkerung. Der gesamte Prozess läuft in einem sogenannten Decision-Support-System (Entscheidungs-Unterstützungssystem), das den Kern des Frühwarnzentrums bildet, automatisiert und innerhalb weniger Sekunden ab. Mithilfe der Szenarien und neu einlaufender Daten wird die Lagebeurteilung immer weiter verfeinert und stabilisiert.

Datenzentren und das Frühwarnzentrum

Die Daten der über Satellitenkommunikation verfügbaren Instrumente – Seismometer, GPS-Stationen, Bojensysteme und Küstenpegel – laufen in lokalen und nationalen Datenzentren zusammen. Dort werden die Daten analysiert und in einem Decison-Support-System bewertet. In speziellen Verfahren untersuchen die Mitarbeiter die Daten auf mögliche Anzeichen eines starken Bebens oder das Auftreten einer Anomalie des Meeresspiegels.

Die eigentlichen Warnmeldungen werden dann vom nationalen indonesischen Warnzentrum in Jakarta verschickt. Dabei nutzt man mehrere Kanäle. Der wichtigste Kommunikationsweg ist die direkte Telefonleitung zu lokalen Polizeistationen. Diese veranlassen konkrete Maßnahmen – zum Beispiel Evakuierungen. Darüber hinaus werden über Internet und Fax weitere Institutionen in Indonesien von der Tsunamiwarnung unterrichtet. Außerdem werden SMS-Meldungen versendet und die Radio- und Fernsehanstalten unterrichtet.

Ressourcen schaffen

Informationsveranstaltung zu Evakuierungen

Das Schaffen von Ressourcen, genannt „Capacity Building“, ist eine tragende Säule des Projekts. Für den technischen Betrieb, die Wartung der Instrumente und die Weiterentwicklung des Systems werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie technisches Personal aus- und weitergebildet. Auch wurde ein gesetzlicher Rahmen geschaffen, in den alle Aktivitäten der Frühwarnung, des Katastrophenschutzes und präventiver Maßnahmen wie die Kontrolle von Baunormen oder die Erstellung von Flächennutzungsplänen eingebettet wurden. Das gab es vorher nicht.

Doch der wichtigste Aspekt der Frühwarnung betrifft die eigentliche Zielgruppe, also die Bevölkerung. Damit angesichts der extrem kurzen Frühwarnzeiten wirksame Maßnahmen ergriffen werden können, muss das Bewusstsein für eine latente Gefährdung und präventive Schutzmassnahmen bei der Bevölkerung geweckt und gestärkt werden. Im Alarmfall sollen die vor Ort betroffenen Menschen richtig reagieren. Zu diesem Zweck werden Evakuierungsübungen und regelmäßige Informationsveranstaltungen durchgeführt. Außerdem nehmen schon die Schulkinder spezielle Lektionen durch. Eine Arbeitsgruppe im Frühwarnprojekt beschäftigt sich gezielt mit diesen Fragen und mit der Umsetzung vorbereitender Maßnahmen wie der Einbeziehung von Risiko- und Verletzbarkeitskarten in die Stadt- und Landschaftsplanung.