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Wie funktioniert Erdbebenfrühwarnung?
Zwei Eigenschaften, die mit der Geschwindigkeit in Verbindung stehen, mit der Erdbebeninformationen verbreitet werden, machen Erdbebenfrühwarnung möglich. Erstens entstehen bei einem Erdbeben verschiedene Arten seismischer Wellen: P-Wellen mit kleinerer Amplitude sind am schnellsten und bewegen sich rund doppelt so schnell fort wie die darauffolgenden, schadenbringenden S-Wellen und Oberflächenwellen. Zweitens sind seismische Wellen viel langsamer als die in modernen Kommunikationssystemen zur Informationsübermittlung verwendeten elektromagnetischen Wellen. Mit Hilfe eines dichten seismischen Netzwerks zeichnet ein wirksames Frühwarnsystem die P-Wellen auf, sobald diese die Erd- oder Wasseroberfläche erreichen. Die Daten werden dann unverzüglich mit Lichtgeschwindigkeit an ein Datenzentrum übermittelt. Dort werden die Informationen verschiedener Stationen zusammengeführt, um die zu erwarteten Bodenerschütterungen zu ermitteln. Bei den an der ETH Zürich entwickelten Systemen basiert die vorhergesagte Bodenbewegung auf der Lokalisierung und Charakterisierung eines Erdbebens. Auf Grundlage der vorhergesagten Bodenerschütterungen kann das Erdbebenfrühwarnsystem dann Warnungen an die betroffenen Gebiete senden. Zielgerichtete Warnungen ermöglichen es der Bevölkerung beispielsweise, Schutz zu suchen und Maschinen können automatisch in einen sicheren Betriebszustand umschalten (z. B. Lifte).
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Warnzeiten
Je schneller ein Frühwarnsystem die von schadenbringenden Erschütterungen getroffen Gebiete warnt desto besser. Generell gilt: Je näher ein Ort an einem Bruch liegt, desto stärker ist die zu erwartende Erschütterung und desto kürzer ist die Vorwarnzeit. Dies trifft insbesondere auf kleine und mittelschwere Erdbeben mit Magnituden von bis etwa 6.5 zu. In unmittelbarer Nähe zum Bruch, wo die grössten Erschütterungen und Schäden zu erwarten sind, ist daher unter Umständen vor Eintreffen der schadenbringenden Wellen keine Warnung möglich. Dies liegt daran, dass der zeitliche Abstand zwischen den schwächeren P-Wellen und den stärkeren S-Wellen direkt beim Bruch sehr gering ist. Hinzu kommt, dass auch P-Wellen Schaden anrichten können. Sollte eine Warnung erfolgen, bleiben nur Sekunden oder Sekundenbruchteile, um Massnahmen zu ergreifen. Mit zunehmender Distanz nehmen die Vorwarnzeiten zu, dafür nehmen die Erschütterungen mit zurückgelegter Strecke ab.
Von diesen Grundsätzen gibt es zwei Ausnahmen: Erdbeben mit Magnituden von 6.5 oder grösser weisen eine sehr grosse Bruchlänge auf und lösen langanhaltende Erschütterungen aus. Für Gebiete entlang der Bruchfläche, die aber weit vom Epizentrum entfernt liegen, besteht in diesem Fall eine lange Vorwarnzeit. Dies ist ein Hauptargument für die Errichtung von Frühwarnsystemen entlang der San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien. Die zweite Ausnahme betrifft Gebiete mit starken lokalen Standorteffekten. Mexiko-Stadt beispielsweise ist auf einem tiefen Sedimentationsbecken erbaut, das die Bodenbewegungen bei Erdbeben erheblich verstärkt. Aus diesem Grund können sogar mittelschwere Erschütterungen, ausgelöst durch ein starkes Erdbeben an der Pazifikküste, in Mexiko-Stadt schwere Schäden verursachen. Da die Stadt rund 300 km von der pazifischen Subduktionszone entfernt liegt, dem Ort, wo sich viele Erdbeben ereignen, besteht eine aussergewöhnlich lange Vorwarnzeit.
Nimmt man als Beispiel ein Erdbeben mit einer Magnitude von 7.5, sind im Umkreis von 55 km starke Bodenbewegungen zu erwarten. Der Einfachheit halber gehen wir für den Bruch von einer Punktquelle aus. Von dort aus breiten sich die P-Wellen, in denen die ersten Informationen über das Erdbeben enthalten sind, mit einer Geschwindigkeit von rund 6.5 km/s aus. Die langsameren S-Wellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 3.5 km/s aus und bringen die grösste Energie mit sich. Bei einem Erdbeben, das sich in einer Tiefe von 10 km ereignet, kann ein Seismometer unmittelbar beim Epizentrum nach 1.5 Sekunden die P-Wellen registrieren. Die S-Wellen treffen 1.3 Sekunden später ein, womit sich die begrenzten Möglichkeiten für Frühwarnungen direkt beim Epizentrum erklären. Um einen 55 km entfernten Ort zu erreichen, benötigen die S-Wellen hingegen 15 Sekunden, was unter Berücksichtigung betriebsbedingter Verzögerungen von 3 Sekunden (Datenerfassung, Datenauswertung, Versand des Alarms) eine Vorwarnzeit von 10 Sekunden für diesen Standort ergibt. Für einen Ort direkt beim Epizentrum käme die Warnung jedoch zu spät.
Erdbebenfrühwarnung weltweit
Erdbebenfrühwarnung ist kein neues Konzept. Ein einfaches System zur Erdbebenfrühwarnung wurde bereits 1868 durch den kalifornischen Physiker J. D. Cooper in einem Artikel im San Francisco Daily Bulletin beschrieben. Cooper schlug die Anbringung einer Reihe seismischer Detektoren in einer Entfernung von 10 bis 100 km von San Francisco vor. Bei Auslösung eines Sensors durch starke Bodenbewegungen sollte ein Signal in die Stadt übertragen werden, das dort automatisch eine Glocke läuten lassen sollte. Trotz der Einfachheit und der Plausibilität dieser Idee wurde das erste System für Erdbebenfrühwarnung erst eingerichtet, als in den späten 1980er Jahren die Ära der digitalen Seismometrie anbrach. In Japan werden die Hochgeschwindigkeitszüge Shinkansen automatisch abgebremst, wenn ein starkes Erdbeben in der Nähe der Eisenbahnstrecke erkannt wird. Nach dem zerstörerischen Erdbeben in Mexiko-Stadt im Jahr 1985 wurde ein öffentliches System eingerichtet, das 1993 den Betrieb aufnahm. Mittlerweile etablieren sich Erdbebenfrühwarnung zunehmend: Nicht nur in Japan und Mexiko werden Systeme zur Erdbebenfrühwarnung, die Alarmmeldungen an Testnutzer oder sogar die Bevölkerung übermitteln, betrieben oder erprobt, sondern auch in zahlreichen anderen Ländern wie z. B. Rumänien, Taiwan, der Türkei, Italien, der Schweiz, Chile, Nicaragua, China und an der Westküste der USA.
Erdbebenfrühwarnung in der Schweiz
In der Schweiz ist alle 50 bis 150 Jahre mit einem Erdbeben mit einer Magnitude von etwa 6 zu rechnen. Bei Erdbeben dieser Stärke treten starke Erschütterungen lediglich in einem Umkreis von 20 bis 30 km um das Epizentrum auf. Infolgedessen bleibt nur sehr wenig Zeit zwischen der ersten Aufzeichnung der P-Welle und dem Auftreten der zerstörerischen S-Wellen. Die Vorwarnzeiten fallen daher bereits im besten Fall kurz aus. Automatisierte Abläufe wie beispielsweise Systemen in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen (z. B. Abschaltung von Maschinen oder Anlagen), sind für derart kurze Warnzeiten am besten geeignet. Aber auch, wenn die Frühwarnung kurz vor oder nach Beginn der Erschütterung eintrifft, hilft es, die gegenwärtige Situation besser einzuschätzen und unter Umständen Massnahmen zu ergreifen. So können beispielsweise Lokführer vor möglichen Erdrutschen gewarnt werden oder Rettungskräfte Notfallmassnahmen einleiten. Erdbebenfrühwarnungen stehen somit am Ende der Alarmierungskette.
Alle Stationen im nationalen Netzwerk der Schweiz sind mit Starkbebensensoren ausgestattet. Wir streben an, Erdbeben mit einer Verzögerung von höchstens einer Sekunde aufzuzeichnen. Anschliessend werden die Daten der über 150 Stationen im Netzwerk zusammengeführt. Eine erste Schätzung der Quellparameter steht 8 bis 12 Sekunden nach Auftreten eines Bebens bereit. Die in der Schweiz vorhandene Infrastruktur ist grundsätzlich geeignet, um Erdbebenfrühwarnungen zu erstellen, auch wenn sie weiter verbessert werden kann, um noch schnellere und zuverlässigere Alarmmeldungen zu generieren.
Forschung für Erdbebenfrühwarnung beim SED
Der SED beteiligt sich an der Entwicklung und Erprobung verschiedener Erdbebenfrühwarn-Algorithmen in der Schweiz und weltweit. Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung einer Betriebssoftware, mit der komplexe Szenarien im Bereich Erdbebenfrühwarnung erfasst werden können, während gleichzeitig schnellere und genauere Warnungen gewährleisten werden sollen (siehe unten). Wir gestalten überdies Programme, um Erdbebenfrühwarnungen an Endbenutzer weiterzuleiten.
Im vergangenen Jahrzehnt entwickelte die Gruppe für seismische Überwachung beim SED drei Algorithmen, die schnelle Einschätzungen über die Magnitude und den Ort eines Erdbebens sowie das Ausmass des Verwerfungsbruchs liefern. Die Parameter-Schätzungen sind in der Regel binnen weniger Sekunden ab dem auslösenden Ereignis verfügbar.
Die Gruppe nutzt die seismische Überwachungsplattform SeisComp3 (SC3) für die automatische Überwachung der Seismizität in der Schweiz und für die Pflege des nationalen Erdbebenkatalogs. SC3 wird auf der ganzen Welt für die regionale seismische Überwachung eingesetzt. Unsere Strategie besteht darin, unsere Erdbebenfrühwarn-Algorithmen in SC3 zu integrieren, damit bei allen Zeitskalen eine Anwendung genutzt werden kann und damit andere Gruppen die Erdbebenfrühwarnung problemlos in ihren eigenen Netzwerken installieren und erproben können.
Ausführlichere Angaben und Informationen zu den Methoden und Programmen, die für die verschiedenen Frühwarnprodukte genutzt werden, finden Sie unter nachfolgenden Links (auf Englisch):