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Tomografie – zusammengesetzt aus den griechischen Wörtern für „Schnitt“ und „schreiben“ – ist ein Überbegriff für verschiedene Methoden, die das Innere eines Objekts in Schichten abbilden. Das Objekt wird dabei in verschiedene Schnitt-Ansichten zerlegt, die man dann zu einer Darstellung der inneren Struktur zusammensetzen kann. Solche bildgebenden Verfahren werden in der Medizin eingesetzt, aber eben auch in den Erdwissenschaften. In diesem Fall berechnet man die Struktur des Erdinneren aus Daten, die man während den Erdstössen bei Erdbeben aufzeichnet.
Es gibt zwei grosse Kategorien von Erdtomografie. Die lokale Tomographie ist genauer und liefert Informationen über eine begrenzte, meist nicht sehr tiefe Zone um eine Region mit hoher Erdbebenaktivität herum. Bei der regionalen Tomografie dagegen interessiert man sich für Phänomene in grösserer Tiefe und nutzt dazu Daten von starken, tiefen Erdbeben. Die Erdstösse werden von sogenannten Seismografen aufgezeichnet („Seismos“ bedeutet Erdbeben). Für die Erdtomografie benötigt man sehr präzise Messinstrumente und viel Rechenleistung, denn die zu analysierende Datenmenge ist gigantisch.
Seismische Wellen als Informationsquelle
Bei einem Erdbeben breiten sich verschiedene Typen von Wellen in alle Richtungen durch den Boden aus und durchqueren die verschiedenen Schichten, aus denen unser Planet besteht. Am schnellsten breiten sich die Primärwellen (P-Wellen) aus. Es sind Kompressionswellen, die in Ausbreitungsrichtung schwingen; das bedeutet, die Erde wird von der Welle zusammengestaucht und entspannt sich nach dem Durchgang der Welle wieder. Etwas langsamer bewegen sich die Sekundärwellen (S-Wellen). Diese sind Scherwellen, welche das Gestein auf ihrem Weg nach oben und unten schwingen lassen, also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. S-Wellen breiten sich in Flüssigkeiten nicht aus.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen hängt auch von der Beschaffenheit des Gesteins ab, durch das sie sich bewegen. Ihre Geschwindigkeit an der Erdoberfläche ist bekannt, da man direkte Messungen im Feld machen kann. Im Labor lassen sich zudem Bedingungen simulieren, die bezüglich Temperatur und Druck denjenigen im Erdinnern gleichen.
Indirekter Blick ins Erdinnere
Wie nutzt man nun diese Informationen? Ausgegangen wird von einem Modell, das besagt, dass der Planet Erde aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist: der Kruste, dem Mantel und dem Kern. Nun berechnet man theoretisch, wie sich die verschiedenen Wellentypen vom Erdbebenherd aus bewegen müssten. Diese Theorie vergleicht man mit den seismografischen Daten, die bei einem tatsächlichen Erdbeben an der Erdoberfläche aufgezeichnet werden. Stimmen die Ergebnisse mit den Beobachtungen überein, war das Modell ausreichend genau – andernfalls muss es überarbeitet werden.
Zur Verfeinerung des Modells vergleicht man also die berechnete Ankunftszeit der Wellen bei der Messstation mit der tatsächlichen Zeit, welche die Welle für den Weg vom Erdbebenherd zur Erdoberfläche benötigt hat. Daraus lässt sich nämlich ableiten, wie das Medium beschaffen ist, das die Welle durchlaufen hat: Hat sie besondere Zonen durchquert, in denen sie verlangsamt oder beschleunigt wurde? Indem man die Ergebnisse von Erdbeben an unterschiedlichen Orten beizieht, kann man die betreffenden Zonen eingrenzen und eine geologische Erklärung finden. Befindet sich dort vielleicht eine Anhäufung von heisserem Material oder eine Einsenkung der Erdkruste in den Erdmantel?
Verfeinerung und Validierung des Modells
Nicht nur die Geschwindigkeit der Wellen, sondern auch ihre Form hilft beim Verständnis der Eigenschaften der Zonen, welche die Welle durchquert hat. Man erhält dadurch zusätzliche Informationen, beispielsweise wie die Welle durch das Medium abgedämpft wurde oder ob sie eine Zone mit flüssigem Material durchlaufen hat. So lässt sich das ursprüngliche Modell des Erdinnern aufgrund der Resultate bestätigen, verfeinern oder auch verwerfen. Man kann immer präzisere 2D- und 3D-Bilder der Erde erstellen, doch das Ergebnis bleibt immer ein Modell – denn ausser in Science-Fiction-Romanen bleibt eine tatsächliche Forschungsreise ins Innere der Erde ein Ding der Unmöglichkeit …
Übrigens: Auch die eingangs erwähnte Mars-Sonde hat ein Erdbebenmessgerät an Bord, um Informationen über die innere Struktur unseres Nachbarplaneten zu gewinnen. In diesem Fall sind es Einschläge von Meteoriten, welche den Planeten erschüttern und seismische Wellen erzeugen.
Schon gewusst?
Es war die dänische Seismologin Inge Lehmann, die 1936 aus der Verteilung von P-Wellen-Signalen schloss, dass der Erdkern nicht – wie bis anhin vermutet – vollständig aus geschmolzenem Metall besteht. Stattdessen ist der innere Kern fest.
Inge Lehmann war ursprünglich Mathematikerin; dank diesem Hintergrund war sie in der Lage, die seismischen Daten richtig zu kombinieren und auszuwerten. Die Schlussfolgerungen aus ihren komplizierten Berechnungen wurden unter Erdwissenschaftlern rasch akzeptiert, doch dass sie tatsächlich korrekt waren, konnte erst 1971 (also 35 Jahre später) mit der Hilfe von Computern bestätigt werden!