Erfassung von Erdbeben

Die von Erdbeben verursachten Bodenerschütterungen können mittels eines Seismometers erfasst und aufgezeichnet werden. Ein Seismometer besteht aus einer an einer Federaufhängung gelagerten Masse. Kommt es zu einer Bodenerschütterung, überträgt sich diese zwar auf das Gehäuse des Messinstrumentes, allerdings bleibt die an der Federaufhängung gelagerte Masse aufgrund ihrer Trägheit ungestört. Die Relativbewegung des Bodens wird dann als Längenänderung im Laufe der Zeit aufgezeichnet.

Seismometer werden an besonders "ruhigen Orten" aufgestellt, häufig in sogenannten seismologischen Observatorien. Dies können alte Stollen, Keller in abgelegenen Gebäuden oder auch eigene Konstruktionen im Gelände sein. Seit langem bestehen in Deutschland seismologische Observatorien zum Beispiel im Schwarzwald (BFO), in Bayern (Wetzell) sowie in Thüringen (Jena). Ein Übersicht der Observatorien in Deutschland bietet die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe.

Was passiert bei einem Erdbeben genau? Durch ein Erdbeben wird der Boden in Schwingung versetzt. Dabei entstehen sogenannte seismische Wellen oder Erdbebenwellen. Diese Wellen können in P-Wellen (Primärwellen), S-Wellen (Sekundärwellen) und Oberflächenwellen unterschieden werden. Die P-Wellen schwingen in Ausbreitungsrichtung. Es handelt sich um Kompressionswellen, die sich ähnlich akustische Wellen funktionieren. Sie breiten sich in festen, flüssigen oder auch gasförmigen Medien aus.

Bei S-Wellen handelt es sich um sogenannte Scherwellen. Sie schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung und sind nur im festen Medium nachweisbar. Obwohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit beider Wellen stark von der Beschaffenheit des Gesteinskörpers abhängt, ist die Kompressionswelle immer schneller als die Scherwelle. Die P-Welle kann eine Geschwindigkeit von bis zu 5-7 km/s erreichen, die S-Welle hingegen "nur" eine Geschwindigkeit von bis zu 3-4 km/s. Damit kommt es zu einem Laufzeitunterschied der Wellen von wenigen Sekunden, der bei Erdbeben-Frühwarnsystemen genutzt wird. Beispielsweise kann die Messung der schnellen ersten P-Wellen dazu führen, Menschen zu warnen, Brücken für den Verkehr zu sperren oder kritische Infrastrukturen wie Strom- und Gasversorgung abzuschalten.

Oberflächenwellen ergeben sich aus der Überlagerung von S-Wellen (Love-Wellen) oder P- und S-Wellen (Rayleigh-Wellen). Die Schwingung verläuft bei den Love-Wellen rein in der horizontalen Ebene, während die Oberflächenwellen eine elliptische Bewegung der Oberfläche hervorrufen. Die Amplitude der Schwingungen nimmt systematisch mit der Tiefe ab. Daher stammt auch der Name dieses Wellentyps.

Im Nahbereich von Erdbeben kommen Oberflächenwellen direkt nach den S-Wellen an und lassen sich nicht klar von diesen trennen. Da die Amplitude von Oberflächenwellen bei langen Perioden langsamer mit der Entfernung abnimmt als die von den anderen Wellentypen, dominieren diese die Seismogramme im Fernfeld bei Perioden von mehr als ~10 s.  Eine Besonderheit von Oberflächenwellen ist, dass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von der Periode abhängt, so dass dieser Wellentyp sich im Seismogramm als langanhaltender Wellenzug sichtbar wird.

Das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam betreibt in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen ein weltweites Stationsnetz von 78 Stationen (Stand Februar 2019), an denen Seismografen die Bodenerschütterungen erfassen. Die Oberservatorien des GEOFON-Netzwerks erfassen die Daten mit einheitlicher Zeitbasis (UTC-Coordinated Universal Time), sodass die Daten eines aufgezeichneten Erdbebens zusammengeführt und gemeinsam ausgewertet werden können. Je dichter das Messnetz ist, desto schneller lassen sich die Lage des Erdbebenherds und die Stärke des Bebens ermitteln. Die GEOFON-Daten sind öffentlich einsehbar, sodass sich Interessierte jederzeit über Erdbebenaktivitäten weltweit informieren können.

Neben den klassischen Observatorien werden Seismometer auch am Meeresboden, an aktiven Vulkanen, auf Eisschollen oder auch Gletschern eingesetzt.