Erdbebengefährdung und -risiko

Erdstöße können katastrophale Schäden anrichten. Wann und wo es das nächste Mal bebt, lässt sich nicht exakt vorhersagen. Seismologen versuchen vielmehr die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben und die dadurch zu erwartenden Bodenbewegungen an der Oberfläche zu bestimmen. So lassen sich die möglichen Schäden abschätzen.

Erdbeben sind seit dem Beginn der Menschheit eine Gefahr für Leben und Sachwerte. Schon früh versuchten Menschen, das Phänomen zu erklären. Bis die Seismologie als Wissenschaft entstand, dauerte es jedoch bis zum großen Beben von San Francisco im Jahr 1906. Kurz vor dem Beben hatten Wissenschaftler das Gebiet um San Francisco vermessen, nach dem Beben wurde diese Messung wiederholt. Durch den Vergleich konnte erstmals das genaue Ausmaß der Verschiebungen ermittelt und dadurch auf Kräfte geschlossen werden, die bei einem Erdbeben walten.

San Francisco nach Erdbeben im Jahr 1906

Seitdem versuchen Wissenschaftler, Erdbeben vorherzusagen. Bis in die 1970er Jahre konzentrierten sie sich auf das Aufspüren eines Vorläufersignals. Solch ein Signal sollte klar auf ein bevorstehendes Erdbeben hinweisen und damit Gegenmaßnahmen ermöglichen. Mögliche Vorläufersignale sind Vorbeben, Veränderungen des Grundwasserpegels, seismische Ruhe vor einem großen Beben oder Freisetzungen des Gases Radon, das durch Risse im Gestein entweicht.

Im Jahr 1975 feierten Forscher in China einen scheinbaren Erfolg. Aufgrund einer Vorbebenserie erließ die lokale Regierung eine Evakuierungsorder für die Stadt Haicheng, wenige Stunden vor einem großen Beben. Doch im Nachhinein wurde der Erfolg angezweifelt. Vermutlich hatten sich viele Menschen aufgrund von Vorbeben außerhalb ihrer Häuser aufgehalten und waren daher nicht unter deren Trümmern begraben worden, als das Hauptbeben die Stadt zerstörte. Kritisiert wurde auch die Vorhersagemethode, denn sie war nicht reproduzierbar. Bereits 1976 versagte die Methode, als ein Erdbeben die Stadt Tangshan verwüstete und rund 250.000 Menschen starben.

Auch in den folgenden Jahren gelang es Forschern nicht, erfolgreich Erdbeben vorherzusagen. Die Seismologen wollten der Gesellschaft dennoch dabei helfen, Erdbeben und ihre Folgen zu bewältigen. Darum konzentrierten sie sich fortan auf statistische Vorhersagen und Berechnungen der Erdbebengefährdung.

Wie die Gefährdung berechnet wird

Bei einer statistischen Vorhersage wird die Wahrscheinlichkeit berechnet, dass ein Erdbeben in einer bestimmten Zeit und in einem bestimmten Gebiet auftritt. Die Forscher versuchen also nicht mehr, gezielt „das“ große Beben vorherzusagen, sondern die langfristige statistische Verteilung der Erdbeben zu erfassen. Sie wird anschließend in eine Verteilung der zu erwartenden Bodenbewegungen umgerechnet. Diese sogenannte seismische Gefährdung (oder Erdbebengefährdung) beschreibt, welche physikalische Auswirkung der zukünftigen Erdbeben zu erwarten ist.

Die Erdbebengefährdung kann mit zwei Methoden abgeschätzt werden: deterministisch (Erdbebenszenarien) und probabilistisch (Wahrscheinlichkeitsverteilung). Bei der deterministischen Variante gehen Wissenschaftler von bestimmten, als wahrscheinlich oder besonders zerstörerisch eingestuften Erdbebenszenarien aus. Für diese werden die zu erwartenden Bodenbewegungen berechnet. Die vielen Unsicherheiten können das Ergebnis aber stark verfälschen. Weil man sie besser berücksichtigen will, wird zurzeit die probabilistische Variante bevorzugt. Dazu werden die Erdbeben statistisch vorhergesagt – auf der Basis von Verwerfungen und seismischen Zonen.

Greendale-Verwerfung in Neuseeland

An einer Verwerfung schrammen zwei Gesteinsbereiche oder tektonische Platten aneinander vorbei. An diesen Bruchflächen findet keine kontinuierliche Bewegung statt, sondern es bauen sich Spannungen auf, die sich in Erdbeben wieder lösen. Für die Gefährdungsberechnung sind Verwerfungen wichtig, weil dort die großen und zerstörerischen Erdbeben stattfinden.

Wie berechnet man die Gefährdung also? Für jede Verwerfung ab einer bestimmten Länge müssen zunächst die sogenannten Aktivitätsparameter bestimmt werden. Das sind die seismische Aktivität über die Zeit, das größte zu erwartende Beben an der Verwerfung und seine vermutete Wiederholfrequenz. Um komplexe große Erdbeben zu modellieren, werden Verwerfungen räumlich in Abschnitte unterteilt. Anschließend wird an jedem einzelnen Abschnitt die Aktivität bestimmt. So können auch Erdbeben modelliert werden, die einen langen Bruch in völlig unterschiedlichen Bereichen der Verwerfung hervorrufen.

Neben Verwerfungen werden zusätzlich Zonen erfasst, in denen seismische Aktivität herrscht. Experten definieren sie anhand von Erdbebenbeobachtungen und erfassen dabei die gleichen Aktivitätsparameter.

Bodenbewegung und Bauvorschriften

Die Parameter sind jedoch nicht alles, die Gefährdung vor Ort hängt von weiteren Faktoren ab. Bodenbewegungen werden zwar vom Beben selbst verursacht, sie fallen aber je nach der Entfernung vom Erdbebenherd und je nach Untergrund unterschiedlich aus. Um von den Aktivitätsparametern auf die Bodenbewegungen zu schließen, verwenden Wissenschaftler spezielle Formeln. Sie sagen für einen gewählten Ort die Stärke von Bodenbewegungen in Abhängigkeit von der Magnitude, also der Energie, die bei dem Beben freigesetzt wird, und der Entfernung eines Erdbebens voraus. Derartige Formeln gibt es für viele Länder oder tektonisch ähnliche Zonen.

Erdbeben in Virginia 2011

Weil es zu wenige Messdaten gibt, ist es allerdings sehr schwierig, solche Formeln zu erstellen. Übliche Seismometer können etwa die besonders heftigen Bodenbewegungen nicht richtig erfassen, weil sie für die Detektion kleinerer oder weit entfernter Erdbeben ausgelegt wurden. Es gibt zwar spezielle Starkbebeninstrumente, doch die sind in vielen Ländern, zum Beispiel in Haiti, nicht verfügbar.

Um die seismische Gefährdung zu berechnen, übersetzen Wissenschaftler jedes mögliche Erdbeben – mit seiner Eintrittswahrscheinlichkeit – für einen bestimmten Zeitraum in die Bodenbewegung für einen bestimmten Ort. Dadurch ergibt sich eine Fülle von potenziell verschieden starken Bodenbewegungen. Sie haben jeweils ihre eigene Eintrittswahrscheinlichkeit. Die Gesamtheit dieser Bewegungen und ihrer Wahrscheinlichkeiten wird als Gefährdungskurve eines Ortes bezeichnet. Daraus kann die Wahrscheinlichkeit abgelesen werden, dass die Bodenbewegung eine bestimmte Stärke überschreitet. Auf diesen Kurven beruhen zum Beispiel Bauvorschriften.

Idealerweise würde man Gebäude so bauen, dass sie gegen jedes denkbare Erdbeben abgesichert sind. Meistens ist das aber nicht möglich oder viel zu teuer. Darum wird eine Schwelle festgelegt. Ein Gebäude kann zum Beispiel so abgesichert werden, dass es 99 Prozent aller möglichen Bodenbewegungen standhält. Dann bleibt eine Wahrscheinlichkeit von einem Prozent, dass stärkere Bodenbewegungen auftreten, als das Gebäude verkraften kann.

Wichtig für Helfer: das Risiko

Die Erdbebengefährdung von Neuseeland

Die seismische Gefährdung beschreibt die erwartete physikalische Auswirkung zukünftiger Erdbeben. Allerdings interessieren sich Rettungskräfte, Katastrophenschutz und andere staatliche Stellen eher dafür, wie viele Opfer und Schäden zu erwarten sind, also für das Erdbebenrisiko. Um es zu ermitteln, stützen sich Forscher zum einen auf die Daten der Erdbebengefährdung; zum anderen klassifizieren sie die Gebäude nach ihrer Empfindlichkeit und schätzen ab, wie viele Gebäude der jeweiligen Klassen pro Gebiet vorhanden sind. Die Zahl der möglichen Todesopfer und Verletzten hängt außerdem von der Gesamtbevölkerung pro Gebiet ab. In einer Wüste zum Beispiel kann die Erdbebengefährdung sehr groß sein, das Risiko mangels Bewohnern und Gebäuden dagegen sehr klein.

Die Berechnungen von Erdbebengefährdung und –risiko sind ziemlich unsicher. Zum einen wissen Forscher nicht, welche Modelle verwendet werden sollen, denn viele Aspekte, die für die Berechnung benötigt werden, sind nicht genau bekannt (systematischer Fehler). Außerdem treten in jedem Modell natürliche Schwankungen auf (statistischer Fehler). In einem sehr komplexen rechnerischen Verfahren werden diese Unsicherheiten abgeschätzt und in die Resultate einbezogen.

Zuletzt wollen Wissenschaftler die Gefährdung und das Risiko nicht nur berechnen, sondern anhand von Beobachtungen überprüfen. Das ist aus vielen Gründen nur sehr eingeschränkt möglich. Denn Gefährdungskarten werden für lange Zeiträume erstellt, zum Beispiel für fünfzig Jahre, und folglich lässt sich die Berechnung erst in fünfzig Jahren anhand von Beobachtungen abschließend testen. Zu diesem Zeitpunkt wäre ein Gefährdungsmodell aber wahrscheinlich schon durch ein neueres abgelöst worden, der Test wäre weitgehend bedeutungslos.

Was das Risiko angeht, kommt erschwerend hinzu, dass es nahezu unmöglich ist, den gesamten finanziellen Schaden zu messen und die Zahl von Todesopfern genau zu ermitteln. Darum können zurzeit nur einzelne Komponenten der Gefährdungs– und Risikoberechnung getestet werden, wie die Erdbebenvorhersage und die Formeln zur Vorhersage der Bodenbewegung. Im Bereich der Spekulation verbleiben vor allem Wahrscheinlichkeiten für Kaskaden von Katastrophen wie das große Erdbebendesaster im Jahr 2011 in Japan. Das Beben löste nicht nur einen Tsunami aus, sondern führte auch zu Rissen in Reaktorblöcken des Atomkraftwerks Fukushima Daiichi, zusätzlich verursachte der Tsunami dort einen Stromausfall. Die japanische Gefährdungskarte hatte Erdbeben mit derart großer Magnitude im betroffenen Gebiet ausgeschlossen.

Solche Rückschläge wird es in Zukunft weiterhin geben. Dennoch stellen seismologische Berechnungen das beste Wissen über Erdbeben und ihre Folgen dar.