Erdbeben

Erdbebenforschung

Mehr als hundertmal pro Jahr gibt es Erdbeben, die deutlich spürbar sind. Wann und wo sie auftreten werden, können die Forscher noch immer nicht genau vorhersagen. Die Vorgänge im Erdinneren sind zu komplex für exakte Prognosen.

Von Tobias Aufmkolk und Susanne Decker

Religion, Mythologie und Philosophie

Die Seismologie ist die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit Erdbeben beschäftigt. Im Vergleich zu vielen anderen Naturwissenschaften ist sie noch relativ jung. Theorien über die Entstehung von Erdbeben gibt es dagegen schon seit Jahrtausenden.

Die gewaltigen Kräfte eines solchen Ereignisses waren den Menschen unterschiedlicher Kulturen unerklärlich und unheimlich. Seit jeher haben sie versucht, Erklärungen für den "Zorn der Erde" zu finden. Schon das Alte Testament beschreibt in einigen Passagen Erdbeben.

Forscher schließen nicht aus, dass der Untergang der Städte Sodom und Gomorrha vor etwa 4500 Jahren durch ein Erdbeben und einen nachfolgenden Erdrutsch verursacht wurde. Da die Städte jedoch bis heute nicht lokalisiert werden konnten, bleibt diese Theorie unbewiesen.

Antike griechische Philosophen versuchten die Natur zwar durch exakte Beobachtungen zu ergründen, kamen aber häufig zu falschen Schlüssen. So glaubte der Naturphilosoph Thales von Milet um 600 vor Christus, die Erde würde wie ein schaukelndes Schiff auf Wasser schwimmen. Bei unruhigem Wasser komme es zu einem Beben.

Im 4. Jahrhundert vor Christus stellte Aristoteles die Behauptung auf, durch die Wärme der Sonne und des Erdinneren werde die feuchte Erde so aufgeheizt, dass Stürme entstünden. Diese würden dann den Untergrund mit seinen zahlreichen Aushöhlungen erschüttern.

In anderen Kulturen umschrieben Mythen und Sagen mögliche Ursachen von Erdbeben. Von den acht Elefanten, die in der indischen Mythologie die Welt trugen, lösten jene ein Beben aus, die sich vom Tragen müde eine Ruhepause gönnten und sich hinlegten.

In Japan wähnte man den riesigen, im Schlamm unter der Erde lebenden Wels Namazu mit seinen heftigen Bewegungen als Verursacher der Beben. Nur der Gott Kashima konnte ihn mit einem magischen Felsblock im Zaum halten. Passte Kashima einmal nicht auf, bebte sofort die Erde unter Japan.

Irrwege der Neuzeit

So sehr die Gelehrten im 17. und 18. Jahrhundert die Naturwissenschaften vorantrieben – für einige Probleme fanden sie einfach keine akzeptablen Lösungsansätze. Der deutsche Universalgelehrte Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) glaubte zum Beispiel, dass aus Erdhöhlen Feuerherde ausbrechen könnten, die dann ein Beben erzeugten.

Viele Wissenschaftler im 18. Jahrhundert waren der Auffassung, dass elektrische Entladungen im Untergrund für Beben verantwortlich seien. Man müsse nur einen Bebenableiter entwickeln, um sie zu beherrschen.

Im 19. und frühen 20. Jahrhundert kamen Wissenschaftler dann der Lösung näher. Zumindest wurde die Erdkruste für die Entstehung von Beben verantwortlich gemacht. Einige glaubten, die Kruste schrumpfe und bräche an bestimmten Stellen. Andere hingegen waren der Meinung, die Erde dehne sich aus und deswegen bräche die Kruste.

Erst der deutsche Geowissenschaftler Alfred Wegener lieferte 1912 mit seiner Theorie, dass die Kontinente auf einzelnen Platten lägen und sich bewegten, den entscheidenden Hinweis.

Meilensteine in der Erdbebenforschung

Wie Erdbeben entstehen, lag lange Zeit im Dunkeln, doch sie aus großer Entfernung genau zu orten, gelang den Menschen schon sehr früh.

Chang Heng, ein angesehener chinesischer Mathematiker und Astronom, erfand 132 nach Christus das wahrscheinlich erste Gerät zur Ortung von Erdbeben: Eine etwa zwei Meter hohe Vase aus Metall war mit acht nach außen gerichteten Drachenköpfen verziert. Jeder der Drachen trug in seinem Maul eine kleine Metallkugel.

Wurde das Gefäß durch ein Beben erschüttert, so wurde im Inneren der Vase ein Mechanismus ausgelöst und einer der Drachen ließ seine Kugel in das weit geöffnete Maul einer der acht Kröten-Nachbildungen fallen, die sich direkt unter den Drachen befanden.

Da durch eine ausgeklügelte Technik immer nur ein Drache die Kugel fallen ließ, konnte so zumindest die Richtung eines Erdbebens bestimmt werden.

Doch erst 1892 gelang es dem britischen Geologen John Milne, der an der Kaiserlichen Technischen Universität in Tokio unterrichtete, zusammen mit seinen Kollegen James Ewing und Thomas Gray, den ersten präzisen Seismografen zu entwickeln.

Er nutzte die Trägheit eines hängenden Pendels, um nicht nur die Präsenz eines Bebens, sondern zugleich auch noch den zeitlichen Verlauf zu erfassen.

Das Pendel bleibt bei einer Erschütterung in seinen Bewegungen hinter denen des Erdbodens zurück und kann so zur Bestimmung der Bodenbewegung eines Bebens genutzt werden.

Milne baute ein Netzwerk von zahlreichen Messstationen auf. 1913 waren solche Stationen rund um die Erde verteilt. Nun konnten Erdbebenmuster global bestimmt werden.

Technische Weiterentwicklungen

Milnes Pendel war ein revolutionärer Schritt für die Erdbebenforschung. Allerdings brachten die starken Eigenschwingungen des Pendels ein Problem mit sich. Ab einer bestimmten Zeit überlagerten sie die Messschwingungen und machten die Aufzeichnungen unbrauchbar.

Für dieses Problem fand Emil Wiechert 1896 eine geniale Lösung. Auf seinem Patent basieren auch noch die heutigen modernen Messgeräte. Wiechert dämpfte die Eigenschwingungen des Pendels mit vier Federn ab. Jetzt waren exakte Messergebnisse über einen langen Zeitraum möglich geworden.

Doch die Seismografen, die zwar technisch weiterentwickelt wurden, aber immer noch nach demselben Grundprinzip arbeiten, sind nicht überall geeignet. Bei starken Beben, die aus großer Nähe beobachtet werden sollen, würden die Pendel überdrehen oder zerbrechen.

Für solche Fälle entwickelte man sogenannte "Strong-Motion-Sensoren", die sehr viel robuster sind. Sie arbeiten statt mit Pendeln mit Federn, die nur auf stärkere Erdbewegungen reagieren. Solche Systeme können oft monate- oder jahrelang in Warteposition stehen bleiben, bis sie durch einen ersten Erdstoß selbstständig mit den Aufzeichnungen beginnen.

Vorhersage von Erdbeben

Trotz der technischen Weiterentwicklung im Laufe der vergangenen Jahrzehnte ist es den Seismologen bis heute noch nicht gelungen, Erdbeben exakt vorherzusagen.

Im Großen und Ganzen scheitert es an den mangelnden Daten. Seismologen können nur die Bewegungen an der Erdoberfläche beobachten. Was sich in der Tiefe eines Erdbebenherdes abspielt, bleibt ihren Augen verborgen.

In Zonen eines tektonischen Bruches sind aber gerade die Tiefen von mehreren Dutzend Kilometern interessant. Für routinemäßige Bohrungen ist das allerdings zu tief.

Das ist ungefähr so, als würden Meeresforscher verlässliche Aussagen über das Leben in der Tiefsee anhand von Daten der ersten zehn Meter unter der Wasseroberfläche treffen müssen. Selbst die optimistischsten Erdbebenforscher bezweifeln, dass es irgendwann möglich sein wird, ein Erdbeben auf den Tag genau vorherzusagen.

Bisher ist es Forschern nur gelungen, für bestimmte Regionen der Welt Langzeitprognosen zu erstellen. Je mehr Zeit zwischen zwei Beben einer bestimmten Stärke in einem erdbebengefährdeten Gebiet verstreicht, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es bald zu einem neuen Beben kommt.

Geologische Methoden helfen dabei, die Zeiträume zwischen zwei Beben einzugrenzen. So ergibt sich dann eine halbwegs verlässliche Wiederholungsrate.

Doch auch hier schlägt Mutter Natur der Wissenschaft so manches Schnippchen. Amerikanische Forscher glaubten, eine sehr genaue Wiederholungsrate für die erdbebengefährdete Stadt Parkfield in Kalifornien angeben zu können.

Anhand von geologischen Daten hatten sie errechnet, dass seit langer Zeit in schöner Regelmäßigkeit durchschnittlich alle 22 Jahre ein starkes Erdbeben in dieser Region auftrat. Sie prognostizierten mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 Prozent das nächste Beben für die Jahre zwischen 1988 und 1992.

Doch es kam, wie es kommen musste: Sie warteten noch geschlagene zwölf weitere Jahre auf ihr prognostiziertes Beben. Wie genau kann dann die Prognose für eine Wiederholung des verheerenden Erdbebens vor Sumatra im Jahr 2004 sein? Hier haben Forscher eine Wiederholungsrate von etwa 600 Jahren errechnet.

(Erstveröffentlichung 2010. Letzte Aktualisierung 25.06.2021)