Gravitationsschwankungen durch Erdbeben Wie man mit der Schwerkraft Tsunamis vorhersagt

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Erdbeben gehören zu den gewaltigsten Naturereignissen des Planeten. Und selbst wenn sie fernab vom Menschen in den Tiefen der See auftreten, bergen sie ein zerstörerisches Potenzial: Tsunamis. Gleichzeitig senden die Beben aber auch eine Vorwarnung – in Form von Gravitationsänderungen. Erste Modellrechnungen für dieses Frühwarnsystem für Flutwellen haben Forscher des Deutschen Geoforschungszentrums nun durchgeführt.

Potsdam – Es blitzt. Eins, Zwei, Drei… dann kommt der Donner. Seit Jahrhunderten schätzen Menschen die Entfernung eines Gewitters aus der Zeit zwischen Blitz und Donner ab. Je mehr Zeit zwischen beiden Signalen vergeht, desto weiter entfernt ist der Beobachter vom Ort des Blitzes. Denn der Blitz breitet sich beinahe ohne Zeitverzögerung mit Lichtgeschwindigkeit aus, während der Donner mit der Schallgeschwindigkeit von etwa 340 Metern pro Sekunde fast eine Millionen Mal langsamer ist.

Auch Erdbeben senden Signale aus, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 Kilometer pro Sekunde) ausbreiten und lange vor den relativ langsamen seismischen Wellen (etwa 8 Kilometer pro Sekunde) aufgezeichnet werden können. Allerdings handelt es sich bei den lichtschnellen Signalen nicht um Blitze, sondern um plötzliche Änderungen der Schwerkraft, hervorgerufen durch eine Verlagerung der Masse im Erdinneren. Erst vor kurzer Zeit wurden diese so genannten PEGS-Signale (PEGS = Prompt elasto-gravity signals) mit seismischen Messungen nachgewiesen. Mit ihnen ließe sich eventuell sehr früh vor dem Eintreffen der zerstörerischen Erdbeben- oder Tsunamiwellen erkennen, dass ein Erdbeben stattgefunden hat.

PEGS – Der Warnruf der Erdbeben

Allerdings ist die Gravitationswirkung bei diesem Phänomen sehr klein. Sie beträgt weniger als ein Milliardstel der Gravitation der Erde. Daher konnten PEGS-Signale bisher nur für die allerstärksten Erdbeben aufgezeichnet werden. Zudem ist der Prozess ihrer Erzeugung komplex: Sie entstehen nicht nur direkt am Erdbebenherd, sondern auch fortwährend bei der Ausbreitung der Erdbebenwellen durch das Erdinnere.

Bisher gab es keine direkte und exakte Methode, um die Erzeugung der PEGS-Signale verlässlich im Computer zu simulieren. Forscher des Geoforschungszentrums (GFZ) Potsdam haben nun einen Algorithmus präsentiert, der zum ersten Mal mit hoher Genauigkeit und ohne viel Aufwand PEGS-Signale berechnen kann. Das Team um Gruppenleiter Dr. Rongjiang Wang zeigte außerdem, dass die Signale Rückschlüsse auf Stärke, Dauer und Mechanismus sehr großer Erdbeben erlauben.

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Die Schwerkraft schwingt im Takt des Bebens

Ein Erdbeben verlagert ruckartig die Gesteinsschollen im Erdinnern, und damit die Massenverteilung in der Erde. Bei starken Erdbeben kann diese Verlagerung sogar mehrere Meter betragen. „Da die lokal messbare Gravitation von der Massenverteilung in der Umgebung der Messstelle abhängt, erzeugt jedes Erdbeben eine kleine, aber unmittelbar wirkende, Änderung der Gravitation“, sagt Wang.

Jedes Erdbeben erzeugt aber auch Wellen in der Erde selbst, die wiederum für kurze Zeit die Gesteinsdichte und damit die Gravitation ein wenig verändern – die Schwerkraft der Erde schwingt gewissermaßen im Takt des Erdbebens. Weiter erzeugt diese schwingende Gravitation eine kurzzeitige Kraftwirkung auf das Gestein, die wiederum sekundäre seismische Wellen auslöst. Ein Teil dieser gravitativ ausgelösten sekundären Erdbebenwellen kann bereits vor der Ankunft der primären Erdbebenwellen beobachtet werden.

Um diese Wellen zu erfassen, passten die Forscher einen bereits zuvor am GFZ entwickelten Algorithmus auf die neue Aufgabe an – mit Erfolg. „Wir haben unseren neuen Algorithmus zuerst auf das Tohoku-Beben vor Japan aus dem Jahr 2011 angewendet, das auch für den Tsunami von Fukushima ursächlich war“, sagt Sebastian Heimann, Programmentwickler und Datenanalyst am GFZ. „Dort lagen bereits Messungen über die Stärke des PEGS-Signale vor. Die Übereinstimmung war perfekt. Wir hatten damit die Gewissheit für Vorhersagen anderer Erdbeben und des Potenzials der Signale für neue Anwendungen.“

Frühwarnsystem ist noch Zukunftsvision

In Zukunft könnte man mit diesem Verfahren durch die Auswertung der Gravitationsänderungen viele hundert Kilometer entfernt vom Epizentrum eines Erdbebens vor der Küste bereits während des Erdbebenbruches feststellen, ob es sich um ein Starkbeben mit Tsunami-Gefahr handelt, wie die Forscher sagen. „Allerdings ist es noch ein langer Weg bis dorthin“, betont Wang. „Die Messgeräte heute sind noch nicht empfindlich genug, und die umweltbedingten Störsignale sind zu groß, als dass sich die PEGS-Signale unmittelbar in ein funktionierendes Tsunami-Frühwarnsystem einbauen ließen.“

Originalpublikation: Zhang, S., Wang, R., Dahm, T. et al.: Prompt elasto-gravity signals (PEGS) and their potential use in modern seismology, Earth and Planetary Science Letters, Volume 536, 15 April 2020; DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116150

* P. Hummel, Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), 14473 Potsdam

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