Tsunamis schneller vorhersagen mit Schallwellen

Wer genau hinhört, könnte früher vor Tsunamis warnen: Die Geräusche von Seebeben, die die gefährlichen Flutwellen auslösen, verraten sie – frühzeitiger als bisher, berichten Forscher der Stanford University in den USA. Je früher gewarnt werden kann, desto besser können sich Menschen in Sicherheit bringen. Deshalb achten aktuelle Warnsysteme auf verdächtige Bewegungen am Meeresboden, wenn die potenziell tödliche Welle bereits unterwegs ist. Doch eine Simulation zeigt jetzt, dass das Geräusch eines Seebebens noch schnellere und genauere Hinweise auf die Welle gibt. Es lässt sogar die Höhe des Tsunamis gut vorhersagen, berichtet das Team im „Bulletin of the Seismological Society of America“. Diese Methode könne die Vorwarnzeit deutlich verlängern – falls die nötigen Unterwassermikrofone und die Auswertungstechnik in Risikogebieten installiert sind.

„Weil Schallwellen im Wasser zehnmal schneller wandern als Tsunamiwellen, können wir von einem Erdbeben hunderte Meilen vor der Küste innerhalb von Minuten erfahren“, berichtet der Geophysiker Eric Dunham von der Stanford University. „Wir wüssten, ob ein Tsunami kommt, wie groß er sein wird und wann er eintrifft.“ Dunham und sein Doktorand Jeremy Kozdon hatten ein Rechenmodell für den Tsunami erstellt, der am 11. März 2011 die Küste Japans traf, mehr als 15.000 Menschen tötete und das Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi beschädigte. Das Epizentrum des Tōhoku-Erdbebens, eines der stärksten je gemessenen und Ursache der enormen Flutwelle, lag im Japangraben rund 70 Kilometer vor Japans Küste. Knapp 30 Minuten später erreichte es sie. Dunhams Team simulierte den Vorgang in detaillierten Berechnungen, inklusive des geologischen Aufbaus der Region. Bei der Simulation zeigte sich ein starker Zusammenhang zwischen der Amplitude der Schallwellen und der Höhe der Tsunamiwellen. Das Modell machte außerdem deutlich, dass die Schallwellen das Ufer rund 15 bis 20 Minuten vor der verheerenden Flutwelle erreicht hätten. Bisherige Warnsysteme können Seebeben zwar wahrnehmen, aber nicht vorhersagen, welche davon zu einem Tsunami führen und welche Höhe die Welle hat. Systeme, die die Druckveränderungen der Welle unter Wasser registrieren, verlieren naturgemäß an Vorwarnzeit.

Der klare Zusammenhang zwischen Schall- und Tsunamiwellen überraschte die Forscher, erklärte sich aber bei näherer Betrachtung: Ob durch ein Seebeben ein Tsunami entsteht, hängt stark davon ab, wie tief die Erschütterung in der Erdkruste geschieht. Tritt sie dicht unter dem Meeresboden auf, so hebt sich dieser ruckartig und verursacht die starke Welle – ebenso wie ein starkes, typisches Geräusch. In der Simulation bestätigte sich, dass Beben, die den Seeboden aufbrechen, Schallwellen mit höherer Amplitude erzeugen als andere. Obendrein konnten Dunham und Kozdon zeigen, dass die geophysikalischen Verhältnisse vor Japan offenbar anders liegen als bislang vermutet: An sich galt die Subduktionszone am Japangraben, wo sich die Pazifische Kontinentalplatte unter die Nordamerikanische Platte schiebt, als an der Oberfläche recht stabil. Erdbeben wurden vor allem zehntausende Kilometer in der Tiefe erwartet. Doch das Modell simulierte mithilfe der Supercomputer in Stanfords Center for Computational Earth and Environmental Science (CEES), wie der tiefliegende Riss aufgrund des geologischen Aufbaus bis an die Oberfläche der Kruste wandern und den Seeboden aufbrechen lassen konnte. Damit konnten sie allgemein die typischen Bedingungen für Verwerfungszonen identifizieren, bei welchen Erdbeben ein Riss in der Tiefe an die Oberflächen wandern und große Tsunamis auslösen kann.

Für gefährdete Regionen wie vor Japan, Kalifornien oder Chile bedeutet dies: Mit einem Netzwerk aus Unterwassermikrofonen – Hydrophonen – und schnellen Analysecomputern könnte die Bevölkerung zuverlässigere Tsunamiwarnungen zig Minuten früher erhalten als bisher. Allerdings ist diese Technik weder einfach noch billig, so die Forscher. Ihr Modell müsste zudem den unterschiedlichen geologischen Verhältnissen der Erdkruste am jeweiligen Standort angepasst werden.