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Erdbeben-Forschung: Hilfe von oben

Polarlichter machen die Ionosphäre sichtbar. Dabei bringen elektrisch geladenen Teilchen Luftmoleküle zum Leuchten. Das Foto entstand von der Internationalen Raumstation aus.

Polarlichter machen die Ionosphäre sichtbar. Dabei bringen elektrisch geladenen Teilchen Luftmoleküle zum Leuchten. Das Foto entstand von der Internationalen Raumstation aus.

Foto:

Nasa

Das Vorzeichen verbarg sich in einem gewaltigen Datenberg. Mehr als tausend GPS-Bodenstationen in Japan senden ständig Funksignale zu den Satelliten des Global Positioning System, um Verformungen der Erdkruste zu registrieren. Quasi automatisch durchleuchten die Funkwellen dabei die Ionosphäre, jene Schicht der Erdatmosphäre in mehr als 80 Kilometern Höhe, die viele geladene Teilchen enthält.

Die Daten der GPS-Stationen lud sich der japanische Geophysiker Kosuke Heki von der Hokkaido Universität einige Tage nach dem verheerenden Erdbeben in Japan am 11. März 2011 herunter. Er war an Oszillationen interessiert, die starke Erdstöße in der Ionosphäre erzeugen.

Typische Signatur

„Ich stellte etwas Seltsames fest“, berichtet Heki. Nicht erst nach dem Beben, sondern bereits 40 Minuten vorher veränderte sich die Ionosphäre. Der Gesamtgehalt an Elektronen stieg über dem späteren Epizentrum merklich an. Der Wert, der die Summe aller Elektronen zwischen einem Satelliten und dem Boden umfasst, lag acht Prozent über dem erwarteten Wert.

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Satelliten, die sich am nächsten an der Bruchzone befanden, registrierten die stärkste Abweichung, schreibt der Forscher in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters. Heki analysierte daraufhin weitere starke Erdbeben, darunter das in Chile 2010 und das in Sumatra 2004. „Dort habe ich fast die gleiche Signatur gefunden“, sagt Heki. Bei Beben unter der Magnitude 8 entdeckte er keine Anomalie.

Der Forscher wagt es, daraus einen weitreichenden Schluss zu ziehen: Zumindest große Erdbeben könnten vielleicht doch vorhersagbar sein – auch wenn sein Verfahren so zeitaufwendig ist, dass es derzeit noch nicht zur Vorwarnung taugt.

9000 Erdbeben analysiert

Mit dieser These verstößt Heki gegen die Lehrmeinung: Vor gut zwanzig Jahren haben die meisten Seismologen den Versuch aufgegeben, Erdbeben vorherzusagen. Sie glauben, dass sich die Kruste so chaotisch verhält, dass Erdbeben nicht vorhergesagt werden können. Schlimme Katastrophen sollten am besten durch gute Vorsorge verhindert werden.

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Doch einige Außenseiter sind überzeugt, dass Erdbeben eben doch nicht aus heiterem Himmel losbrechen. Im Gegensatz zu den Seismologen, die sich traditionell auf seismische Signale wie Vorbeben oder schwache Mikrobeben konzentrierten, suchen sie nach elektromagnetischen Vorzeichen.

Verräterische Spuren

Seit etwa 15 Jahren fahnden die Forscher vor allem in der Ionosphäre nach verräterischen Spuren. Dabei stehen sie vor dem Problem, dass sich die viele hundert Kilometer dicke Atmosphärenschicht ständig verändert. Der Wechsel von Tag und Nacht, die Jahreszeiten, Blitze, menschliche Aktivitäten und geomagnetische Stürme beeinflussen den Aufbau der geladenen Schicht.

Um einen möglichen Zusammenhang zwischen natürlichen Phänomenen wie Erdbeben oder Vulkanausbrüchen und Störungen der Ionosphäre zu untersuchen, schickte das französische Weltraumforschungszentrum CNES 2004 den Mikrosatelliten Demeter ins All. Tatsächlich registrierte der Satellit, der bis Ende 2010 in Betrieb war, vor mehreren starken Erdbeben Anomalien. Eine Analyse von gut 9000 Erdbeben ergab zudem, dass die Intensität bestimmter Funkwellen vier bis sechs Stunden vor Erdbeben mit einer Magnitude von fünf oder mehr in der Nähe des Epizentrums absinkt – was auf Veränderungen in der leitfähigen Ionosphäre hindeutet.

„Das ist eines der wichtigsten Ergebnisse der Demeter-Mission“, sagt der russische Forscher Dimitar Ouzounov vom Jet Propulsion Laboratory der US-Raumfahrtagentur Nasa. Der Effekt ist allerdings so schwach, dass er nicht zur Vorhersage taugt.

Weitere Beispiele: Ein Team um Ouzounov untersuchte ebenfalls das Erdbeben vom 11. März in Japan. Auch diese Forscher stellten fest, dass sich der Gesamt-Elektronengehalt deutlich erhöhte – allerdings schon drei Tage vor den Erdstößen, am 8. März. Ein chinesisch-taiwanesisches Team berichtete im April 2011 im Journal of Geophysical Research, dass sich die Menge der Elektronen einen Tag vor dem Magnitude-7-Beben in Haiti im Januar 2010 erhöht hatte.

Und Forscher um Günter Stangl vom Institut für Weltraumforschung in Graz untersuchten das Erdbeben von L’Aquila in Italien 2009. Das Ergebnis: Einige Tagen vor den Erdstößen der Magnitude 6,3 erhöhte sich auch dort der Elektronengehalt.

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Günter Stangl hält die mittlerweile vorliegenden Daten für so glaubwürdig, dass er es trotz aller Fragezeichen für möglich hält, dass in der Erdkruste elektromagnetische Prozesse in Gang kommen, bevor ein Erdbeben losbricht. Doch darüber, wo und wann die Veränderungen auftreten und was die Beobachtungen genau zu bedeuten haben, rätseln er und seine Kollegen noch. „Das Peinlichste ist, dass es keine anerkannte Theorie dafür gibt, wie der Elektronenhaushalt gestört werden könnte“, sagt Stangl. Welche physikalische Verbindung zwischen einer Bruchzone kurz vor einem Erdbeben und der oberen Atmosphäre bestehen könnte, ist unklar. „Es gibt zwar mehrere Theorien, aber kein Verfahren, um durch Messungen eine Entscheidung zu treffen“, sagt er.

Skeptische Fachkollegen

Zudem weichen die Theorien extrem voneinander ab. So favorisiert die Gruppe um den Nasa-Forscher Dimitar Ouzounov radioaktive Ausgasungen als Erklärung. Die Forscher führen eine ganze Reihe von Phänomenen auf das radioaktive Gas Radon zurück, das ihrer Meinung nach vor Erdbeben aus dem Boden entweicht. Der radioaktive Zerfall erhöht demnach die Temperatur in den unteren Luftschichten, regt die Wolkenbildung an und beeinflusst auch die Ionosphäre. Den Nachweis dafür, dass vor Erdbeben tatsächlich verstärkt Radon aus dem Boden ausgast, bleiben die Forscher allerdings schuldig. Stangl favorisiert eine Theorie, derzufolge sich elektrische Felder tief im Erdmantel vor einem Erdbeben verändern. Diese Veränderungen könnten sich bis in die Ionosphäre fortpflanzen.

Der Geophysiker Ugur Yaramanci von der TU Berlin, hält den Zusammenhang zwischen seismischen und elektromagnetischen Phänomenen durchaus für spannend. „Selbst bei den kleinsten Mikrobeben entstehen Risse im Gestein, die elektromagnetische Wellen erzeugen. Das ist schon seit den 70er-Jahren bekannt und im Labormaßstab auch künstlich nachgestellt“, sagt er.

Allerdings gelang es trotz umfassender Bemühungen bislang nicht, solche elektromagnetischen Veränderungen vor einem Erdbeben am Ort des Geschehens, also im Erdboden, nachzuweisen. „Seismologen sehen unsere Ergebnisse daher mit großer Skepsis“, weiß auch Michel Parrot von der Universität von Orléans, der die Demeter-Daten auswertet.

Trotz der zahlreichen Probleme sind die Himmels-Seismologen überzeugt, dass sie keinem Hirngespinst nachjagen. „Wir können die physikalischen Ursachen der elektromagnetischen Vorläufer-Phänomene zwar noch nicht vollständig erklären“, sagt Dimitar Ouzounov. „Dennoch könnten einige Informationen schon in diesem Stadium genutzt werden, um Frühwarnungen für Erdbeben zu entwickeln.“

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