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Die Grundlagen des Wissens

Naturgewalten Geoforschung: Am Puls des Planeten

Mit Hightech-Apparaten untersuchen Wissenschaflter die Kräfte der Erde. Ihr Ziel: Möglichst rasch zu erkennen, ob sich eine Naturkatastrophe anbahnt.

Lawine im Labor

Um Schneekatastrophen vorherzusagen, muss Ed Adams Eiskristalle studieren: Er züchtet sie

Ed Adams weiß: Meist sind es die instabilen Schneeschichten, die eine Lawine auslösen. Denn sie wirken wie ein Gleitmittel, auf dem obere Schneelagen zu Tal donnern können. Doch während die Arbeit vieler Experten darin besteht, solche schwachen Schichten in gefährdeten Hängen zu lokalisieren oder sie in Feldversuchen zu ergründen, will der 58-jährige Materialforscher der Montana State University auf andere Weise herausfinden, wie sie entstehen: mit der Erforschung des Schnees im Labor.

Denn Feldstudien allein erlauben keine verlässlichen Lawinenvorhersagen. Zu tückisch und unberechenbar verhält sich die weiße Materie: Ständig ändert sie ihre Form. „Selbst eine stabile Schicht aus relativ festem Schnee kann innerhalb von Stunden brüchig und schwach werden“, sagt Adams. Unter kontrollierten Bedingungen will er deshalb erforschen, wie es dazu kommt: Wie Wind, Sonne, Niederschlag, Bodenwärme und Außentemperatur die Oberfläche einzelner Schneekristalle verändern und ihre Anordnung beeinflussen.

Im November 2008 haben Adams und seine Kollegen ein neues, 250 Quadratmeter großes und auf bis zu minus

40 Grad Celsius kühlbares Hightech-Labor in Betrieb genommen, erhellt von Speziallampen, in dem die Wissenschaftler unterschiedliche Sonneneinstrahlungen und Wetterbedingungen simulieren können – etwa die verschneiter Bergkuppen. Dank neuartiger Apparaturen vermögen die Forscher Schneekristalle jeder Art zu züchten. Und in einem Rasterelektronenmikroskop lässt sich im Detail studieren, wie die filigranen Gebilde auf veränderte Bedingungen reagieren.

„Ich kenne weltweit nichts Vergleichbares“, schwärmt Adams. Und er ist zuversichtlich, dass seine Gruppe das

komplexe Verhalten des Schnees schon bald besser verstehen wird. Die Experten vor Ort werden dann noch früher

erkennen können, ob sich eine Schneeschicht zur Rutsch- bahn entwickelt.

Nach dem Beben

Vom Grundlagenforscher zum Katastrophenschützer: Der Potsdamer Seismologe Jochen Zschau will Menschen retten

Sein halbes Forscherleben glaubte Jochen Zschau daran, dass er eines Tages die Kräfte des Erdinneren begreifen und dann in der Lage sein würde, ein Erdbeben vorherzusagen. Heute weiß der 64-jährige Seismologe, dass so etwas prinzipiell nicht möglich ist. Dass es vielmehr auf die Sekunden nach der Erschütterung ankommt, wenn man die Bevölkerung warnen will.

Zschau leitet die Sektion „Erdbebenrisiko und Frühwarnung“ am Geoforschungszentrum in Potsdam. Er ist vom Grundlagenforscher zum Katastrophenschützer geworden – und versucht gemeinsam mit seinen Kollegen, zumindest die Auswirkungen eines Bebens zu mildern.

So vermessen sie derzeit vom Satelliten aus die besonders gefährdete Stadt Istanbul, peilen von oben Gebäudehöhen an und ermitteln die Baufälligkeit einzelner Häuser. „Würde man die fünf Prozent der unsichersten Gebäude verstärken“, so Zschau, „könnten 15 Prozent der zu erwartenden Opfer mit dem Leben davonkommen.“ Ein weiteres Viertel der geschätzten Todesopfer könnte gerettet werden, hielte man bei Neubauten die Vorschriften ein. „Und eine grundlegende Verbesserung der medizinischen Vorsorge“, so Zschau, „würde die Opferzahl um weitere 20 Prozent reduzieren.“

Damit die offiziellen Stellen im Ernstfall reagieren können, überspannen die Forscher die gesamte Bosporusregion mit einem dichten Netz seismologischer Geräte. Jedes einzelne vermag eine zerstörerische Erdbebenwelle blitzschnell zu detektieren und über Funk Alarm zu schlagen.

So weiß zwar auch Jochen Zschau nach wie vor erst hinterher, wann und wo die Erde gezittert hat, aber er hofft, dass die türkische Regierung seinen Empfehlungen folgen

wird – und dass so vielen der Erdbebentod erspart bleibt.

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Die Stimme der Lava

Donald Bruce Dingwell zündet "Magmabomben" im Labor und horcht auf die Geräusche des glutheißen Gesteins, um vor Eruptionen zu warnen

Das Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU München besitzt einzigartige Maschinen zur Erforschung der Feuerberge: „Fragmentationsbomben“ und spezielle Hochdruckpressen, die vulkanische Eruptionen im Labor nachahmen.

Dabei handelt es sich um Versuchskammern, entwickelt von dem gebürtigen Kanadier Donald Bruce Dingwell, 50,

in denen vulkanisches Gestein bei Drücken bis zu 50.000 Bar und Temperaturen bis 1300 Grad zum Explodieren gebracht wird – unter Bedingungen also, wie sie sonst nur in den Tiefen der Erdkruste herrschen. Hochgeschwindigkeitskameras verfolgen den künstlichen Ausbruch, und die ausgespieenen Fragmente können aufgefangen und später analysiert werden.

So fanden die Forscher kürzlich heraus, dass das schnell aufsteigende Magma vor einer Eruption charakteristische Geräusche abgibt: Die zähflüssige Gesteinsschmelze verformt sich dabei derart stark, dass sie ihren inneren Zusammenhalt verliert und bricht. Das zerbrechende Magma verursacht -Minibeben und die lassen sich akustisch registrieren. Mit hochempfindlichen Sensoren ist es Dingwell und seinen Kollegen möglich, diese Bruchgeräusche aufzuzeichnen.

Da sie eine unmittelbar bevorstehende Eruption ankündigen, eignen sich die Signale insbesondere für die Entwicklung eines völlig neuen Frühwarnsystems. Zwar funktioniert die seismoakustische Überwachung eines Vulkans vorerst nur im Labor, doch Dingwell hofft, dass sie auch den Praxistest bestehen wird: „Sollten wir Erfolg haben, würden die Chancen, Menschenleben in von Vulkanen bedrohten Gebieten durch eine rechtzeitige Vorwarnung zu retten, erheblich steigen.“

Wächter der Wellen

Jörn Lauterjung hat ein Tsunami-Frühwarnsystem mitentwickelt: Zahlreiche Sensoren erfassen jede Meeresschwingung vor der Küste Indonesiens

Mehr als 225 000 Menschen kamen bei der Flutwelle vom Dezember 2004 ums Leben. Um eine solche Katastrophe in Zukunft zu verhindern, hat Jörn Lauterjung, 54, vom Geoforschungszentrum in Potsdam mit Kollegen ein Warnsystem entwickelt.

Dazu gehören mehr als 160 seismische Stationen an Land, die die gesamte Region kontinuierlich überwachen. Sie können innerhalb weniger Minuten einen Erdstoß lokalisieren, auch im Meer, und dessen Stärke ermitteln.

Doch nicht jedes Seebeben löst einen Tsunami aus. Je nach Tiefe und Typ der Erschütterung hebt oder senkt sich der Ozeanboden mehr oder weniger stark – oder gar nicht.

Ob wirklich eine Flutwelle droht, lässt sich nur durch Messungen im Meer ermitteln. Dazu haben die Potsdamer Hightech-Bojen konstruiert, die selbst zentimeterfeine Schwankungen des Meeresspiegels erfassen. Läuft eine Welle irgendwo auf das Festland zu, registrieren zudem Pegelstationen vor der Küste deren Höhe.

Da es zu lange dauern würde, die Gefährdung der Anrainerstaaten zu ermitteln, wenn sich die Welle bereits gebildet hat, simulieren die Forscher alle Szenarien: Für Hunderte mögliche Bebenherde und -stärken sowie unterschiedliche Meeresbodenreliefs berechnen sie, wie sich ein Tsunami entwickeln würde. So lässt sich im Ernstfall sofort auf jenes Modell zugreifen, das mit den aktuellen Daten am besten übereinstimmt.

Per Radio und TV, SMS oder Sirene soll die Bevölkerung dann gewarnt werden. Im Mittel, sagt Lauterjung, werden die Menschen so 20 Minuten Zeit gewinnen, um sich in Sicherheit zu bringen.

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Wenn Gestein bricht

Um Erdbebenrisiken abzuschätzen, simuliert David Lockner in seinem kalifornischen Labor, wie Erdplatten aneinander vorbeirutschen

Der Geophysiker David Lockner simuliert in seinem Labor südlich von San Francisco, was sich in Kalifornien seit Jahrmillionen abspielt: Die Pazifische Platte drückt nach Norden, die Nordamerikanische nach Süden. An den Grenzflächen können sie sich ineinander verkeilen und bauen über lange Zeiträume immense Spannungen auf, bis sie sich plötzlich lösen. Dann schnellt eine Platte ruckartig an der anderen vorbei – und die Erde bebt.

Im Labor ahmen Lockner und seine Kollegen diese Vorgänge mit einem Steinzylinder nach, den sie Bedingungen aussetzen, wie sie ähnlich auch in großer Tiefe herrschen: mehreren Tausend Bar Druck und extremer Hitze. Sie ermitteln, wie stark ein Kolben auf die schräg angeschnittene Probe einwirken muss, um beide Hälften gegeneinander zu verschieben.

Akustische Sensoren zeichnen auf, wo und wann sich feinste Risse durch das Gestein fräsen, wie es dem Druck schließlich nachgibt und birst. Am Computerbildschirm verfolgen die Geologen den gesamten Prozess und werten ihn aus. Die Ergebnisse helfen, zu verstehen, was genau bei einer tektonischen Bewegung vor sich geht. Dieses Wissen macht es etwa möglich, das Erdbebenrisiko für eine bestimmte Region besser angeben zu können.

Da die Bodenverhältnisse aber weitaus komplexer sind als die im Labor, können die Forscher nicht vorhersagen, wann genau es zum Beben kommt – wohl aber dessen Folgen: Bei einem Beben der Stärke 7,8 rechnen sie im Süden Kaliforniens mit 200 Milliarden Dollar Schäden und 1800 Toten.

Das Archiv im Eis

Aus winzigen Bläschen im antarktischen Eis liest der Glaziologe Heinrich Miller die Klimageschichte der vergangenen 900 000 Jahre ab

Zehn Jahre lang, von 1996 bis 2006, hat Heinrich Miller, 65, vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven, Forscherteams aus zehn Ländern geleitet, die an zwei Bohrstationen in den antarktischen Eispanzer vordrangen. Je tiefer sie kamen, desto älter war das Eis. Schließlich erreichten sie eine Bohrtiefe von 3270 Metern, fünf Meter oberhalb des Felsuntergrunds, ein Rekord bis heute.

Das Eis in diesen Schichten ist mehr als 900 000 Jahre alt und enthält Eiskristalle von bis zu 40 Zentimeter Größe. Sie erlauben den Forschern einen einzigartigen Blick in die Klimageschichte der Erde. Denn die Eismassen haben sich in dieser Zeit Lage um Lage aus Schnee gebildet und dabei die einstige Atmosphäre in Form feiner Luftbläschen eingeschlossen.

Deren Zusammensetzung analysieren die Wissenschaftler jetzt in Bremerhaven. Sie entlocken den armdicken, etwa drei Meter langen Eiskernen Informationen über vergangene Treibhausgas-Emissionen, Temperaturen, Niederschläge oder den Gehalt an Staubpartikeln – und rekonstruieren so unter anderem, wie das Eis im Laufe der Zeit immer wieder ganze Kontinente erobert hat. Auch helfen die Ergebnisse bei der Entwicklung und Prüfung von Rechenmodellen zur Vorhersage künftiger Klimaschwankungen.

Einen kleinen Teil jeder Probe lassen die Glaziologen stets unberührt. „Denn es könnte ja sein“, so Heinrich Miller, „dass in den nächsten zehn oder 20 Jahren jemand eine zündende Idee hat, was noch in dem Eis stecken könnte.“

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