Wenn ein Tsunami droht, muss alles sehr schnell gehen. Bei einem Seebeben in Küstennähe bleiben oft nur Minuten, maximal vielleicht eine halbe Stunde, bis die Tsunamiwelle eintrifft. Bisherige Frühwarnsysteme auf Basis seismischer Messungen unterschätzen aber oft zunächst das Ausmaß von Beben und Tsunami – Schutzmaßnahmen fallen daher möglicherweise ungenügend aus. Forscher des Deutschen Geoforschungszentrums Potsdam (GFZ) haben jetzt eine genauere Methode entwickelt und getestet: Sie nutzen GPS-Daten, um den ruckartigen Versatz am Meeresboden zu registrieren und daraus die Tsunamigefahr abzuleiten.
Das Tohoku-Erdbeben am 11. März 2011 war mit einer Magnitude von 9.0 das heftigste jemals in Japan registrierte und das viertstärkste der Welt. Auf einer Länge von 400 Kilometern brach die Nahtstelle zwischen zwei tektonischen Platten entlang des Japangrabens auf, dabei wurde der Meeresboden ruckartig in die Höhe gedrückt. Das über der Verwerfung stehende Wasser nahm diese Energie auf und es bildete sich eine Wellenfront, die sich rasend schnell in alle Richtungen ausbreitete.
Als dieser Tsunami die rund 200 Kilometer entfernte Küste Japans erreichte, hatte die Welle eine Höhe von teilweise fast 40 Metern und drang an einigen Stellen bis zu fünf Kilometer weit ins Land vor. Mehr als 15.00 Menschen starben, weite Teile der Nordostküste wurden verwüstet und im Atomkraftwerk Fukushima Daiichi kam es zu katastrophalen Ausfällen der Kühlsysteme.
Gefahr dramatisch unterschätzt
„Die gängigen Tsunami-Frühwarnsysteme sollen innerhalb der ersten fünf bis zehn Minuten nach einem Beben eine Warnung herausgeben“, erklären Andreas Hoechner vom GFZ Potsdam und seine Kollegen. Im Falle des Tohoku-Bebens habe die Meteorologie-Behörde Japans auch bereits nach drei Minuten die erste Warnmeldung für vorerst drei Präfekturen herausgegeben. Dabei gingen die Experten jedoch zunächst nur von einem Beben der Magnitude 7,9 aus. Erst nach mehreren Stunden wurde die tatsächliche Stärke ermittelt.
„In der Periode der höchsten Tsunami-Aktivität wurde die Gefahr daher dramatisch unterschätzt, das tatsächliche seismische Moment war fast 30 Mal höher als zu Beginn berichtet“, so die Forscher. Der Grund für diese Ungenauigkeit liegt nicht im Unvermögen der Experten, sondern schlicht in den Grenzen des bisher gängigen Systems. Bei diesem wird die Bebenstärke und die Lage des Epizentrums aus Daten seismischer Messnetze abgeleitet.
Doch die Betrachtung eines Tsunami-Ursprungs als simple Punktquelle sei normalerweise ungenügend, um eine exakte Tsunamiwarnung vor allem im Nahbereich zu erstellen, erklären Hoechner und seine Kollegen. Denn gerade bei Beben an Subduktionszonen in Küstennähe müsse man berücksichtigen, in welche Richtung und wie weit sich ein Bruch ausbreite. Die dadurch verursachte Verformung des Meeresbodens bestimmt letztlich, wie stark und in welche Richtung sich ein Tsunami entwickelt.
Verformung des Untergrunds entscheidend
Es gibt aber längst eine bessere Möglichkeit, wie die Forscher nun in ihrer Studie belegen. „Japan hat ein sehr dichtes Netzwerk von GPS-Stationen“, sagt Hoechner. Diese Empfänger nutzen die Satellitensignale des Global Positioning System, um millimetergenau jede Bewegung des Untergrunds zu registrieren. In der Nähe möglicher Erdbebenherde platziert – beispielsweise am Meeresgrund – können diese Messstationen in Echtzeit zeigen, wie stark und wo sich der Untergrund bei einem Beben hebt. Das wiederum erlaube es in Sekundenschnelle, mit Hilfe von Modellen die Höhe und voraussichtliche Ankunftszeit eines Tsunami zu berechnen.
Bisher allerdings wurden die rund 1.200 GPS-Empfänger des japanischen GEONET-Arrays nicht für die Tsunami-Frühwarnung eingesetzt – und auch ähnliche GPS-Messnetze anderswo nicht. „Unseres Wissens nach gibt es bisher noch kein einziges Beispiel für eine GPS-basierte Tsunami-Frühwarnung“, berichten die Wissenschaftler.
Präzise Warnung schon nach drei Minuten
Um zu prüfen, wie leistungsfähig ein solches System wäre, haben Hoechner und seine Kollegen dies anhand des Tohoku-Bebens von 2011 getestet. Für ihre Studie nutzten sie allein die während des Bebens vom GEONET-Array registrierten GPS-Daten und spielten das Warnungsszenario quasi in Echtzeit nach. Aus den insgesamt 1.200 Stationen wählten sie 50, in einem weiteren Ansatz sogar nur 20 aus. Um Wellenhöhen und Ankunftszeiten des Tsunami zu errechnen, fütterten die Forscher ein gängiges Tsunamimodell mit den GPS-Daten zum Versatz des Meeresbodens.
Das Ergebnis: Bereits eine Minute nach Bebenbeginn lieferte das System die Information, dass die Magnitude bei mindestens 8.4 lag und dass sich der Meeresboden um sechs Meter angehoben hatte. „30 Sekunden später lag die angezeigte Magnitude bereits bei 8.7 und für weite Teile der japanischen Küste wurden Tsunamihöhen von mehr als zehn Metern vorhergesagt“, berichten die Forscher. Nach drei Minuten habe das Modell dann bereits die endgültige Bebenstärke von 9.0 ermittelt und eine Wellenhöhe des Tsunami von bis zu 29 Metern prognostiziert. Das auf herkömmliche Methoden basierende Frühwarnsystem Japans lag zu diesem Zeitpunkt noch um mehr als eine Magnitude daneben und erwartete auch weitaus geringere Wellenhöhen.
Ergänzung bestehender Systeme dringend angeraten
„Das zeigt, wie schnell und präzise ein GPS-basiertes Frühwarnsystem im Falle des Tohoku-Bebens gewesen wäre“, betonen Hoechner und seine Kollegen. Es sei daher immens wichtig, dass die bereits existierenden GPS-Stationen in die bestehenden Tsunami-Warnsysteme integriert werden. Im tsunamigefährdeten Japan ist die Dichte des GPS-Messnetzes bereits dicht genug, um eine akkurate Frühwarnung zu ermöglichen.
Im ebenfalls häufig durch Erdbeben erschütterten Indonesien haben die Forscher im Rahmen des deutsch-indonesischen Tsunami-Frühwarnsystems seit 2004 bereits zahlreiche neue GPS-Empfänger installiert, die für das dortige System Daten liefern. „Noch ist die Stationsdichte dort aber nicht hoch genug, um ein allein auf GPS-basierendes System zu bilden, aber wir sind dabei, weitere GPS-Empfänger zu ergänzen“, sagt Hoechner. ( Natural Hazards and Earth System Sciences, 2013 )
(European Geosciences Union (EGU), 21.05.2013 – NPO)
