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2.1 Berichte über Erdbeben
Erdbeben verursachen ausser den unmittelbaren Zerstörungen an Siedlungen oft Neben- oder Folgeerscheinungen, die noch gravierendere Auswirkungen als das eigentliche Beben haben. Es sind dies Feuersbrünste, Erdrutsche, Bergstürze, Lawinen oder Vulkanismus. Erdbeben schaukeln oft das Meer auf. Die dabei erzeugten Wellen (sog. Tsunamis) können mehr als 20 Meter Höhe erreichen.
Heute wissen wir, dass Erdbeben unabwendbare physikalische Erscheinungen unserer Erde sind.
2.2 Weshalb bebt die Erde?
2.2.1 Ursprung von Beben
In der Erdkruste bauen sich langsam Spannungen auf, die sich dann plötzlich in einem Erdbeben entladen können.
Der Ort, von dem Erbeben ausgehen, heisst Hypozentrum (Störungs- oder Erdbebenherd). Das Hypozentrum befindet sich nie an der Erdoberfläche, sondern im Innern der Erdkruste. Die Stelle senkrecht darüber an der Erdoberfläche nennt man Epizentrum, hier sind die Auswirkungen des Bebens am grössten. Ein Erdbeben wird durch eine Erschütterung im Herd, also durch eine beschleunigte Massenveschiebung der Gesteine ausgelöst und pflanzt sich nach allen Richtungen wellenförmig fort.
Ausgelöst wird ein Erdbeben durch angesammelte Spannungsenergie, welche plötzlich freigesetzt, d.h. in Massenbeschleunigung und Schwingung umgesetzt wird.
2.2.2 Erdbebenarten nach ihren Ursachen
Tektonische Beben
. Spannungszustände sind auf langsame Bewegungen zurückzuführen.
. Die meisten tektonischen Beben entstehen an Plattengrenzen. An destruktiven Plattengrenzen (Subduktions- oder Stauchungszonen) resultieren sie aus der Kollision zweier Platten, an konservativen Plattengrenzen (Zonen transversaler Verschiebung) sind sie die Folge der Reibung zwischen zwei sich horizontal verschiebenden Platten. An konstruktiven Plattenrändern (MOR) sind Erbeben durch das langsame "Zerreissen" der Erdkruste zu erklären.
. Tektonische Beben sind die häufigsten und stärksten: 90 % aller Beben sind tektonisch bedingt.
Vulkanische Beben
. Vulkanische Beben begleiten, wie der Name es sagt, vulkanische Eruptionen. Es ist vorallem der plötzliche Druckabfall des Magmas oder der Gase oder explosive Vorgänge im Schlot, die Erbeben auslösen.
. Sie sind von geringerer Stärke und viel weniger häufig (7 % aller Beben) als tektonische Beben.
Einsturzbeben
. Einsturzbeben entstehen durch Einstürze unterirdischer Hohlräume. Sie treten meist in Karstgebieten auf.
. Einsturzbeben sind selten und nur von lokaler Bedeutung.
2.3 Physik der Bebenwellen
2.3.1 Art der Bebenwellen
Primärwellen (Longitudinalwellen)
Die P-Wellen stellen eine Folge von Materialverdichtung und Materialverdünnung oder -ausdehnung dar. Sie pflanzen sich in Richtung der Teilchenverschiebung fort, was sie sehr schnell tun. Mit zunehmender Distanz vom Bebenherd verursacht die Trägheit des Materials eine Dämpfung der Erschütterung.
Sekundärwellen (Transversalwellen)
Die S-Wellen schwingen quer zur Fortpflanzungsrichtung. Ihre Geschwindigkeit ist nur halb so gross wie bei den P-Wellen. Die S-Wellen treten nur in festen Medien auf, in flüssigen oder gasförmigem Material können sie sich nicht fortpflanzen.
Die Erdbeben breiten sich vom Ort ihrer Entstehung nach allen Seiten hin aus; sie pflanzen sich in der Erde auf gekrümmten Bahnen fort.
2.3.2 Ausbreitung der Bebenwellen
Oberflächenwellen (Rayleigh- und Love-Wellen) sind langsamer als Raumwellen (P- und S-Wellen). Raumwellen haben je nach Tiefe unterschiedliche Geschwindigkeiten. S-Wellen können nur in festem Material, also nur in der Erdkruste und im Mantel ausbreiten.
Die sich dreidimensional ausbreitenden Raumwellen werden bei Erreichen der Erdoberfläche teilweise in Oberflächenwellen umgewandelt.
2.3.3 Messung der Bebenwellen
Die Registrierung der Bebenwellen erfolgt durch erschütterungsempfindliche Geräte, sogenannte Seismographen. Seismographen zeichnen registrierte Erschütterungen grafisch auf (Seismogramm).
Da Erdbeben räumliche Schwingungen auslösen, braucht es immer drei verschieden orientierte Registriergeräte: eines für die Nord- Süd- Komponente, eines für die Ost- West- Komponente und ein drittes für die Vertikalkomponente der Schwingung.
2.3.4 Bestimmung des Epizentrums
Die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen von Primär- und Sekundärwellen erlaubt es, die Entfernung des Epizentrums zu bestimmen: Je grösser nämlich diese Differenz ist, desto weiter muss das Epizentrum vom Seismographen entfernt sein. Verfügt man über Seismogramme von mindestens drei verschiedenen Standpunkten, so kann damit auch die genaue Lage des Epizentrums bestimmt werden.
Aus Entfernung und Amplitude kann auch die Stärke des Bebens im Epizentrum ermittelt werden. Die Auswertung der Seismogramme, welche früher tagelange Berechnungen erforderte, wird heute mit Computerprogrammen bewältigt.
2.3.5 Die Stärke des Bebens: Magnitude und Intensität
Magnitude (M)
Die Magnitude ist ein Mass für die beim Beben freigesetzte Energie und wird durch die Richter - Skala angegeben. Eine Erhöhung des Wertes M um eins bedeutet, dass die freigesetzte Energie des Erdbebens etwa 30mal stärker ist. Die Energiegrösse kann in Joule, Megawattstunden oder Sprengstoffäquivalenten (Tonnen TNT) angegeben werden. In der Praxis ist noch nie ein stärkeres Beben als 9 registriert worden. Ab einer Magnitude von etwa 3 ist ein Beben für den Menschen fühlbar. Die Magnitude ist nur mittels Instrumenten (Seismographen) messbar.
Intensität (I) des Bebens
Die Intensität eines Bebens wird nicht mathematisch berechnet, sondern kann direkt durch Schadenbeobachtung bestimmt werden. Jedem Skalenwert von I bis XII entsprechen ganz bestimmte Schadenereignisse. Diese Skala wurde ursprünglich vom Italiener Mercalli entwickelt. Man spricht deshalb heute von der MSK-Skala. Die Intensität hängt von der Magnitude im Epizentrum und von der Entfernung ab. Ein Wert kann sich je weiter er vom Epizentrum entfernt ist, wieder ändern, da die Bebenstärke nachlässt.
2.4 Häufigkeit und räumliche Verteilung von Erdbeben.
Schätzungen über die totale Häufigkeit der Beben liegen zwischen 100'000 und einer Million Beben pro Jahr. Nur ein Bruchteil dieser Beben hat verheerende Auswirkungen auf Mensch und Umwelt, katastrophale Beben ereignen sich durchschnittlich fünf pro Jahr.
Auffallend ist die Häufung von Erdbeben entlang der Pazifikküste: Über 50 % aller stärkeren Beben ereignen sich hier. Der Schluss liegt nahe, dass ein Zusammenhang zwischen der Erdbebenhäufigkeit und der Lage der tektonischen Plattengrenzen liegt.
Die meisten Erdbeben (85%) sind sog. Flachbeben: Ihre Hypozentren liegen in einer Tiefe von 0-70 km unter der Erdoberfläche. Tiefbeben mit einer Herdtiefe von über 300 km sind selten (ca. 3 %), sie kommen fast ausschliesslich an Subduktionszonen vor.
2.5 Auswirkungen von Beben
2.5.1 Direkte Auswirkungen
Die Erschütterungen eines Erdbebens bringen Bauwerke zum Einsturz und lösen Bergstürze, Erdrutsche, Lawinen und Tsunamis aus. Das Schadensausmass ist jedoch immer lokal unterschiedlich.
Geologischer Untergrund
Häuser, die auf massiverem Fels stehen, haben grössere Chancen, das Beben unbeschadet zu überstehen, als solche, die auf Sand oder Schotter gebaut sind. Die lockere Schottermasse kann wie ein Pudding zum Schaukeln kommen, weil Erdbebenschwingungen sich durch Resonanz verstärken.
Baumaterial
Armierter Beton ist viel widerstandsfähiger als etwa Ziegelstein- oder Lehmbauten. Deshalb haben Erdbeben oft gerade in ärmeren Gebieten mit billig gemauerten Häusern die verheerendsten Auswirkungen. Einfache Behausungen aus Holz oder Stroh bleiben dagegen dank der Elastizität des Baumaterials oft unbeschädigt.
Höhe der Gebäude
Während bei ein- oder zweigeschossigen Häusern vielleicht lediglich etwas Verputz von den Wänden fällt, wird ein mehr als vier Stockwerke hohes Haus in starke Schwingungen versetzt.
Stossrichtung der Wellen
Stossrichtungen quer zur Mauer legen diese um, solche längs der Mauer sind weniger wirksam.
2.5.2 Indirekte Auswirkungen
Oft sind es die erst später einsetzenden indirekten Auswirkungen von Erdbeben, welche die meisten Opfer der Bevölkerung fordern:
Tsunami
Liegt der Bebenherd in Küstennähe oder unter dem Meeresgrund, so übertragen sich die Bebenwellen auch auf das Wasser. Bis zur Küste können diese Wellen eine Höhe von bis zu 40 m erreichen und grosse Landgebiete überschwemmen. Ausserdem erreichen diese Wellen auf offenem Meer eine hohe Geschwindigkeit, was die Evakuierung der Menschen erschwert.
Erdrutsche und Feuersbrünste
Feuersbrünste können durch gebrochene Gasleitungen oder herabfallende Stromleitungen ausgelöst werden. Wird bei einem Erdbeben die Wasserversorgung eines Gebietes zerstört, werden ausserdem Seuchen gefördert, da die Bewohner gezwungen sind, schmutziges Wasser zu trinken. Auch der Erfrierungstod sowie Hungersnöte ist eine indirekte Auswirkung auf obdachlos gewordene Menschen.
2.6 Erdbeben-Vorhersage und Vorbeugemassnahmen
2.6.1 Prognose von Erdbeben
Verlässliche Erdbebenprognosen sind erst in den seltensten Fällen möglich. Um die Bevölkerung rechtzeitig warnen zu können, müssen Berechnungen auf den Tag genau getroffen werden können. Folgende Punkte können auf ein baldiges Erdbeben hinweisen:
. Vorausgehende Landhebungen oder -senkungen von nur 0,1 mm müssten registriert werden können.
. Schwache Vorbeben mit besonderem Charakter, das Verhältnis der P-Wellen zu den S-Wellen sinkt ab.
. Magnetische Veränderungen und elektrische Felder
. Erdbebenanzeichen bei Quellen und Grundwasser. Diese können die Temperatur, den Chemismus oder die Ergiebigkeit betreffen.
. Auffälliges Tierverhalten (Bienen, Möwen, Tauben und Fische sind geeignete Testtiere)
Eine sichere Vorhersage von Erdbeben ist trotz der neuesten Erkenntnisse noch nicht möglich. Ausserdem besteht die Möglichkeit, dass die Bevölkerung bei Information in Panik ausbricht. Unkontrollierte Flucht aus einer Grossstadt hätten ein Verkehrschaos und Unfälle zur Folge, welches unter Umständen noch mehr Opfer fordern würde, als das Erdbeben selbst.
2.6.2 Erdbebensicheres Bauen
Mittels spezieller Baumethoden kann das Einsturzrisiko von Gebäuden in erdbebengefährdeten Gebieten drastisch vermindert werden. Vor allem japanische Ingenieure entwickeln elastische Baukonstruktionen, mit denen Gebäude problemlos schwingen können. Für Risikobauten wie Kernkraftwerke, Staumauern, Erdölraffinerien oder Tankanlagen gefährlicher Stoffe gelten meist spezielle gesetzliche Vorschriften.
2.6.3 Verhaltensregeln bei Erdbeben
1. Falls man innert 10-15 Sekunden, vom ersten Stoss an gerechnet, nicht ins Freie flüchten kann, bleibt man besser im Haus. Als sicherer Aufenthalt im Freien gilt ein Mindestabstand von halber Gebäudehöhe.
2. Im Gebäudeinnern stehe man unter den nächsten Türrahmen oder krieche unter solide Möbel (Tisch, Bett, Pult)
3. Nie den Aufzug benützen.
2.7 Nebenresultate der Erdbebenforschung
2.7.1 Künstliche Erdbeben als "Röntgengeräte" der Geologen
Durch künstlich ausgelöste Erdbeben und die Analyse der zurückgeworfenen Bebenwellen (Reflexionsseismik) kann der Verlauf von Gesteinsschichten im Untergrund erforscht werden.
2.7.2 Das Wissen um den Schalenbau der Erde
Unser Wissen über grössere Erdtiefen verdanken wir einzig der Seismologie. Durch die Aufzeichnung und Auswertung von Hunderten von Seismogrammen konnte der Weg rekonstruiert werden, den Bebenwellen einschlagen, wenn sie die Erde durchdringen.
Ein physikalisches Gesetz besagt, dass Wellen gebrochen werden, wenn sie in andere Medien übertreten. Mann konnte daraus schliessen, dass in gewissen Tiefen die Dichte des Erdinnern sprunghaft wechselt, dass also das Erdinnere aus Sphären unterschiedlicher Dichte zusammengesetzt ist. Ausserdem haben Bebenwellen im Erdinnern eine unterschiedliche Geschwindigkeit, was wiederum einen Materialwechsel beweist.
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