Forscher suchen nach schnelleren Warnsystemen für Erdbeben
Forscher in Europa haben ein unterirdisches Signal identifiziert, das ein Vorzeichen für starke Erdbeben sein könnte.
Dr. Quentin Bletery hat einige gute Nachrichten zu einem allzu oft düsteren Thema: Erdbeben. Als Forscher am Französischen Nationalen Forschungsinstitut für nachhaltige Entwicklung (IRD), glaubt Bletery, dass es eines Tages möglich sein könnte, starke Erdbeben Minuten oder sogar Stunden im Voraus vorherzusagen.
Entdeckung von Signalen
Erdbeben werden in der Regel durch die Bewegung von zwei tektonischen Platten verursacht, die sich auf beiden Seiten tiefer geologischer unterirdischer Bruchlinien, so genannter Verwerfungslinien, befinden. „Die Verwerfung beginnt einige Zeit vor dem Erdbeben zu gleiten“, sagte Bletery. „Die Frage ist: Beschleunigt sich das in einer Mikrosekunde oder ist es etwas, das mehr Zeit braucht und verfolgt werden kann?“
Basierend auf früheren Experimenten hat Bletery Grund zu der Annahme, dass es zu einer allmählichen Gleitbewegung kommt. Jetzt hat er vielleicht sogar noch mehr Grund dazu. Im Rahmen eines von der EU finanzierten Forschungsprojekts entdeckten Bletery und sein IRD-Kollege Dr. Jean-Mathieu Nocquet ein Signal, das – theoretisch – verwendet werden könnte, um im Voraus über starke Erschütterungen zu warnen.
Das Projekt mit dem Namen EARLI begann im Januar 2021 und soll nach einer einjährigen Verlängerung bis 2027 dauern.
Frustrierende Vorhersagen
Erdbeben ereignen sich täglich auf der ganzen Welt. Die meisten sind zu schwach, um an der Oberfläche spürbar zu sein.
Größere Beben, die eine Stärke von mehr als 6 haben, sind oft tödlich. Bei einem Beben in der Türkei und in Syrien im Februar 2023 kamen beispielsweise mehr als 50.000 Menschen ums Leben und etwa 1,5 Millionen wurden obdachlos. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Erdbeben laut EARLI weltweit etwa 1 Million Menschen getötet.
Erdbeben können nicht nur genau gemessen werden, sondern es ist auch bekannt, wo sie sich am häufigsten ereignen. Südeuropa einschließlich des Mittelmeers, Japan, Indonesien, Chile sowie die US-Bundesstaaten Kalifornien und Alaska sind allesamt Hotspots.
Bisher konnten die Wissenschaftler keine erkennbaren Anzeichen für ein allmähliches Gleiten der Verwerfungen feststellen. Da sie vermuteten, dass ein solches Signal zu schwach sein könnte, um von Seismometern erfasst zu werden, nutzten Bletery und Nocquet stattdessen die hochauflösenden Daten des Global Positioning System von mehr als 3.000 Stationen weltweit.
GPS-Informationen sind eine Alternative zu seismologischen Daten, um zu ermitteln, wie stark sich der Boden während eines Erdbebens und zwischen den Beben bewegt hat. Die GPS-Informationen enthielten Daten, die Stunden vor jedem der 90 Erdbeben der Stärke 7 oder höher aufgezeichnet wurden.
Dieser Ansatz zahlte sich aus. Die Forscher fanden ein kaum wahrnehmbares, aber dennoch statistisch signifikantes Muster, das sich zwei Stunden vor Erdbeben in der Nähe des möglichen Epizentrums abzeichnet.
„Es ist nur ein kleines Signal, aber man kann es nicht zufällig an anderen Orten und zu anderen Zeiten finden“, fügt Bletery hinzu. „Es ist sehr interessant.“ Er erklärt, dass weitere Forschungen nötig sind, um das Verständnis des beobachteten Signals zu erweitern und die Machbarkeit von Erdbebenvorhersagen zu prüfen.
Ein Hindernis besteht darin, dass die derzeitigen Instrumente zur Erdbebenüberwachung nicht die nötige Abdeckung und Präzision für diese Art von Forschung bieten, so Bletery. Eine Lösung könnte darin bestehen, akustische Sensoren an Glasfaserkabel anzubringen, die auf dem Meeresboden sowie unterirdisch liegen und das Rückgrat des heutigen globalen Kommunikationssystems bilden.
Kleinerer, schnellerer Indikator
In der Zwischenzeit haben die EARLI-Forscher ein bescheideneres Ziel: die bestehenden Warnungen an die Menschen auf ihren Mobiltelefonen Minuten vor einem Erdbeben zu beschleunigen. Diese Warnungen basieren auf den seismischen Wellen, die durch das Beben verursacht und von Seismometern aufgezeichnet werden.
Bletery und sein Team versuchen, solche Warnungen zu verbessern, indem sie Seismometer verwenden, um etwas anderes zu messen: Störungen im Gravitationsfeld der Erde, die durch massive Gesteinsbewegungen verursacht werden. Obwohl dieser Indikator viel kleiner ist als seismische Wellen, ist er schneller.
Bletery und sein Team setzten einen Algorithmus der Künstlichen Intelligenz (KI) ein, um diese Art von Daten zu analysieren und die Gefahr eines möglichen Tsunamis abzuschätzen.
Das bestehende Warnsystem für einen Tsunami benötigt 20 bis 30 Minuten für die erste Einschätzung. Die EARLI-Methode benötigte, obwohl noch experimentell, eine Minute. „Das Ziel ist es, Frühwarnsysteme viel schneller zu machen“, sagt Bletery.
Schadensbegrenzung
Die Begrenzung der Folgen von Erdbeben ist ebenfalls eine Forschungspriorität. Dies war der Schwerpunkt eines anderen von der EU finanzierten Projekts. Das Projekt namens RISE lief von September 2019 bis Mai 2023..
„Unser Ausgangspunkt war es, Europa widerstandsfähiger gegen Erdbeben zu machen“, sagt Professor Stefan Wiemer, Direktor des Schweizerischen Seismologischen Dienstes an der ETH Zürich. „Und es gibt keine alleinige Maßnahme, um das zu erreichen.“
Wiemer leitete eine Gruppe von Ingenieuren und Experten aus den Bereichen Seismologie, Informationstechnologie, Geologie und Sozialwissenschaften von zwei Dutzend Organisationen in 13 Ländern, darunter Japan, Italien, Israel und Mexiko.
Neue europaweite Karte
Die Forscher verbesserten die Fähigkeit der EU, Opfer und Schäden eines Erdbebens abzuschätzen – etwas, das als „schnelle Folgenabschätzung“ bezeichnet wird. Das Team baute auf bestehenden globalen Diensten auf, darunter ShakeMap, das Daten über Bodenerschütterungen in von Erdbeben betroffenen Gebieten sammelt.
Unter Verwendung neuer, detaillierterer Daten erstellten die Forscher eine europäische Version des ShakeMap-Dienstes. Die europäische ShakeMap empfängt automatisch alle aufgezeichneten Daten, wenn sich ein Erdbeben ab der Stärke 4 ereignet.
Gleichzeitig werden relevante Informationen wie die Anzahl der in dem Gebiet lebenden Menschen, die örtlichen Bodenverhältnisse und die Anfälligkeit der Strukturen in der betroffenen Zone zusammengestellt. „Wir können innerhalb von nur 30 Minuten nach einem Ereignis die ungefähre Zahl der Opfer, der Verletzten und der verschiedenen Schadenshöhen und Kosten abschätzen“, sagt Wiemer, der auch den Lehrstuhl für Seismologie am Departement für Erdwissenschaften an der ETH Zürich innehat.
Dies ist nicht nur für dringende Entscheidungen nach einem Erdbeben nützlich, sondern kann auch das Wissen darüber verbessern, was in einem bestimmten Gebiet passieren würde, wenn sich dort ein weiteres Beben ereignen würde. Das System ist das erste seiner Art, das auf europäischer Ebene in Betrieb genommen wurde, und ist nun auch in Italien und der Schweiz einsatzbereit.
RISE hat auch die Methoden zur Vorhersage stärkerer Nachbeben weiterentwickelt – unter anderem durch KI. In der Folge eines Erdbebens können Hunderte oder Tausende von kleineren Beben die seismischen Netzwerke überlasten. „Es ist schwierig, all diese Daten zu verarbeiten, besonders wenn man es manuell machen muss“, sagt Wiemer. „Mit den Techniken des maschinellen Lernens können wir diese Ereignisse jetzt schneller und genauer verarbeiten.“
Weitere Informationen
Artikel von Vedrana Simičević
Die Forschung in diesem Artikel durch das Horizon-Programm der EU finanziert und im Falle von EARLI zusätzlich durch den Europäischen Forschungsrat (ERC). Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht.