Jerry Paros lebt in Washington State und macht sich große Sorgen wegen der tickenden Zeitbombe direkt vor der Küste in der Nähe seines Hauses. Damit ist er nicht allein – viele fürchten sich vor dem Erdbeben und dem Tsunami, die eines Tages diese Region heimsuchen werden. Doch im Gegensatz zu vielen anderen tut Paros auch etwas dagegen. Seine Firma verdiente Millionen Dollar mit der Herstellung besonders präziser Quarzsensoren für Öl, Gas und anderes in der Industrie. Nun will er mit seinen Sensoren die Welt vor Naturkatastrophen schützen.

Am Hauptsitz seiner Firma Paroscientific in Redmond nimmt der 79-jährige Erfinder einen Metallgegenstand – so groß wie ein Volleyball – vom Tisch, hebt ihn auf Schulterhöhe und setzt ihn wieder ab. Die Sensoren im Inneren des Gehäuses nehmen bei der Auf- und Abwärtsbewegung winzige Veränderungen des atmosphärischen Drucks wahr. "Hier, eine sehr exklusive Türklingel", sagt er dann, während er die Bürotür öffnet und schließt, um den Luftdruck erneut zu ändern. In der Luft kann Paros' Instrument feinste Druckveränderungen registrieren, doch eigentlich will er die Sensoren vor der Küste einsetzen. Dort sollen sie, wenige Kilometer unter den Wellen, das Gewicht des Wassers registrieren und so Veränderungen der Meeresbodentiefe detektieren.

Die ultrapräzisen Messgeräte sollen das Herzstück eines Frühwarnsystems werden, das erkennt, wenn ein Erdbeben den Meeresboden verschiebt und einen Tsunami auslöst. Paros hat der University of Washington zwei Millionen US-Dollar gespendet und arbeitet mit anderen Forschern zusammen, um seine Sensoren entlang der Küstenlinie des Nordwestpazifiks zu testen. Viele andere Küstenstaaten, einschließlich Japan und Chile, versuchen die Bewegungen am Ozeangrund aufzuzeichnen – ein Forschungsgebiet, das sich Meeresboden-Geodäsie nennt. Sie arbeiten emsig an der Installation der Sensoren, denn geologische Verwerfungen verursachen hier die stärksten Erdbeben und einige der verheerendsten Katastrophen der ganzen Welt. So löste 2004 ein Unterseebeben vor Indonesien einen Tsunami aus, der fast eine viertel Million Menschen das Leben kostete.

Welche Zonen unter Wasser sind gefährlich?

Die Geophysiker versuchen schon lange das Verhalten der Offshore-Verwerfungen zu verstehen. Sensoren wie die von Paros geben ihnen nun erstmals die Möglichkeit, geodätische Bewegungen der unter Wasser liegenden Teile der Erdkruste – immerhin 70 Prozent der gesamten Oberfläche – zu erfassen. Diese sind für bisherige Standardgeräte unzugänglich. Die Sensornetze könnten Aufschluss darüber geben, welche Teile der Unterwasserverwerfungen harmlos sind und welche gerade Energie für das nächste große Beben sammeln. "Damit wollen wir herausfinden, wo solche Zonen überhaupt sind. Das wissen wir nämlich gar nicht", sagt die Ozeanografin Emily Roland von der University of Washington in Seattle, die mit Paros zusammenarbeitet.

Als Paros in den 1970er Jahren an den Nordwestpazifik zog, sprach kaum jemand von dem Risiko extrem starker Erdbeben. Das größte jemals aufgezeichnete Beben in der Geschichte der Region traf im Jahr 1949 die Stadt Olympia (Washington) und hatte eine Stärke von 7,1 auf der Richterskala. In den späten 1980ern fanden Wissenschaftler dann Hinweise auf drohende Erdbeben der Stärke 9 und gewaltige Tsunamis an der gesamten Küstenlinie von Nordkalifornien bis hin zum südlichen Teil British Columbias in Kanada. Die Quelle dafür liegt etwa 50 Kilometer vor der Küste, wo sich eine Erdplatte unter eine andere schiebt. Dieser 1000 Kilometer lange Übergang wird Cascadia-Subduktionszone genannt und ist Teil des so genannten pazifischen Feuerrings, eines Vulkangürtels um den Pazifischen Ozean herum gelegen. Subduktionszonen verursachen die stärksten Erdbeben, die je gemessen wurden, einschließlich des Rekordbebens in Chile von 1960 mit einer Stärke von 9,5. Schon im Jahr 1700 brach in Cascadia ein Beben etwa der Stärke 9 aus und verursachte einen Tsunami, der viele Dörfer entlang der Küste Cascadias vernichtete, über den Pazifik raste und sogar in Japan Menschen ertrinken ließ.

"Cascadia ist derzeit irgendwie unheimlich ruhig"
Kelin Wang

Die Seismologen sind sich nicht sicher, wann es Cascadia das nächste Mal treffen wird. Es könnte morgen sein oder erst in Jahrzehnten. Bei anderen Subduktionszonen überwachen Wissenschaftler die geologische Aktivität und schätzen das Risiko für zukünftige starke Beben ab, indem sie den Mustern kleinerer Beben lauschen. Cascadia ist derzeit ruhig, irgendwie "unheimlich ruhig", sagt der Seismologe Kelin Wang vom Geological Survey of Canada in Sidney in British Columbia. Es gibt nur wenige kleine Beben, die widerspiegeln könnten, wie sich zwei tektonische Platten gegeneinander bewegen. Das macht Cascadia zu einem gefährlichen schlafenden Riesen, der Großstädte wie Portland und Seattle bedroht.

An Land nutzen Ingenieure das GPS-System, das globale Positionsbestimmungssystem, um die fast unmerklichen Signale der geologischen Aktivität zu verfolgen. Dazu gehört auch das Anheben des Bodens um einen Vulkan herum, bevor dieser ausbricht, oder Steine, die entlang geologischer Verwerfungen abrutschen, wie bei der San-Andreas-Spalte in Kalifornien. Doch solche Messungen auf dem Meeresgrund durchzuführen, ist nicht nur schwierig, sondern auch teuer. Seit einigen Jahren holt die Meeresboden-Geodäsie aber gegenüber den Messungen an Land auf und nutzt nun neue Werkzeuge und innovative Wege, um ihre Instrumente im Ozean zu platzieren. Von Neuseeland über Japan bis Chile versuchen Geophysiker, die langfristigen geologischen Risiken zu verstehen und Möglichkeiten zu finden, die Bevölkerung an den Küsten vor bereits ausgelösten Erdbeben und Tsunamis zu warnen. Ein Großteil ihrer Arbeit basiert auf Sensornetzen auf dem Meeresboden, in die verschiedene Regierungen schon investieren, teils auch private Förderer und Geldgeber wie Paros.

Theorien lassen sich mit Messungen an Land nicht bestätigen

Sechs seiner Quarzdrucksensoren liegen derzeit auf dem Meeresboden vor Oregon und überwachen, welche Teile von Cascadia sich langsam bewegen und welche eingerastet sind. Mit Hilfe von GPS-Messungen an Land haben Geophysiker zwei konkurrierende Modelle für Cascadia entwickelt. In einem schiebt sich die absteigende tektonische Platte sehr langsam unter die obere Platte und setzt bei ihrer Bewegung Spannungen frei. Im anderen Modell sind zwei Platten miteinander verhakt und erlauben einen gefährlichen Spannungsaufbau. Allein mit Messungen an Land lässt sich unmöglich herausfinden, welches der Modelle richtig ist. "Wir wissen einfach nicht, wie stark die Platten verhakt sind. Wir brauchen deshalb unbedingt Offshore-Messungen. Die verfügbaren Informationen vom Land haben wir bereits ausgeschöpft", meint Wang.

Immer wieder haben die Ozeanografen den Meeresboden vor Cascadia mit Monitoring-Geräten übersät. Eine Gruppe der University of Washington und der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla in Kalifornien arbeitet an einem System, das Bewegungen des Ozeanbodens über die Zeit messen und die Art der Bedrohung bestimmen vermag. Der Schlüssel zu dieser Arbeit ist Paros' Quarzsensor.

Vor 50 Jahren begann Paroscientific mit der Entwicklung von Quarzsensoren zur Messung physikalischer Faktoren wie Beschleunigung, Druckveränderung und Temperatur. Die Sensoren basieren auf den piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz: Wenn dieser zusammengedrückt wird, entsteht elektrische Ladung. Auf den Meeresboden verfrachtet, misst ein Drucksensor von Paroscientific die Druckveränderung der Wassersäule über ihm. Nach Korrektur von Faktoren wie Wellen und Gezeiten können die Ozeanografen dann Auf- oder Abwärtsbewegungen des Meeresbodens mit einer Genauigkeit von bis zu einem Zentimeter bestimmen.

Der hartnäckige Wunsch, etwas voranzubringen

Paroscientific ist eine von vielen Firmen, die ozeanografische Drucksensoren herstellen. Doch Paros selbst ist schon ungewöhnlich: ein Mix aus Physiker, Geowissenschaftler und Unternehmer, der nun mit vielen führenden Geophysikern der Region verkehrt. "Jerry tauscht sich gern mit Ingenieuren und technisch orientierten Wissenschaftlern aus. Er treibt die Gemeinschaft richtig an mit seinem hartnäckigen Wunsch, etwas voranzubringen", erzählt der Meeresgeophysiker William Wilcock von der University of Washington.

Schon 1983 wurden Paroscientific-Sensoren im Pazifik als Teil des amerikanischen Tsunami-Beobachtungssystems der National Oceanic and Atmospheric Administration ausgebracht. Erschüttert von der Katastrophe des Tsunamis im Indischen Ozean zwei Jahre zuvor, stellte Paros 2006 der University of Washington eine Million US-Dollar zur Verfügung, um die Forschung an Sensornetzen anzukurbeln. Mit Hilfe des Geldes plus einer weiteren Million US-Dollar im Jahr 2012 konnten Universitätsforscher eine ganz neue Generation von Meeresboden-Drucksensoren entwickeln und testen.

Die neuesten vom Scripps-Washington-Team entwickelten Ozeanboden-Messgeräte sind nun in etwa einer Linie nahe der Küste Oregons bis zur Subduktionszone angeordnet. Dort ruhen sie und nehmen den Puls des Wassers über ihnen auf. Die Forscher können diese Daten dann mit ihren Modellen zur Verschiebung Cascadias vergleichen. "In zirka zehn Jahren werden wir wissen, ob die Platten verhakt sind", erklärt Wilcock, der das ganze Projekt unterstützt. Doch selbst die besten Drucksensoren können nur eine Richtung der Meeresbodenbewegungen aufzeigen, nämlich auf und ab. Sie können keine horizontalen Verschiebungen detektieren. Hierfür müssen die Forscher eine andere Technik verwenden, bei der mindestens zwei Transponder zwei bis drei Kilometer voneinander entfernt auf dem Meeresboden platziert werden. Jedes Jahr besuchen die Forscher die Standorte der Transponder mit dem Schiff und senden akustische Signale zu den Geräten. Gemessen wird dabei die Zeit, die das Signal benötigt, um durch das Wasser zu wandern. Dies zeigt den Wissenschaftlern dann an, ob sich der Transponder seit dem letzten Test relativ zu einem anderen verschoben hat. Hieraus könnten sie ableiten, ob sich der Meeresboden horizontal bewegt hat.

Der Klang der Bewegung

Dieser Typ eines Meeresboden-Akustikradars wird auf der ganzen Welt eingesetzt. Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel installierte Ende 2015 solch ein Netzwerk entlang der Subduktionszone vor Chile, um dort mögliche Erdbeben zu beobachten. Japans Küstenwache sammelt jedes Jahr über mehrere Monate Daten verschiedenster Standorte vor der Küstenlinie des Landes. Die Daten werden nicht mit Schiffen, sondern mit autonomen Vehikeln, so genannten Wellengleitern, gesammelt und verursachen dadurch nur einen Bruchteil der sonst üblichen Kosten, erklärt der Geophysiker David Chadwell von der Scripps Institution of Ozeanography. "Da tut sich etwas", findet Chadwell, der die Wellengleiter vor Oregon getestet hat und hofft, sie bald in einem größeren Bereich einsetzen zu können.

Um die tatsächliche Gefahr für Cascadia herauszufinden, müssen Geophysiker aber viele verschiedene Geräte aufstellen. Dazu gehören Seismometer und geodätische Instrumente sowohl vor der Küste als auch an Land. Diskutiert wird noch, wo diese platziert werden sollen und wie viele jedes Typs ideal wären. Die unterschiedlichen Meinungen hierzu entzweien immer wieder Grundlagenforscher und Entwickler von Frühwarnsystemen für Erdbeben und Tsunamis. Die Wissenschaftler der University of Washington hoffen, dass ihr Sensornetz beiden Seiten nützen wird. "Wir müssen und können diese wissenschaftlichen Instrumente für verschiedene Zwecke einsetzen, um das Verständnis von Seiten der Wissenschaft zu verbessern und auch die Gefahren zu überwachen", meint die Seismologin Heidi Houston, die ebenfalls an der University of Washington arbeitet, aber nicht Teil des Projekts um das Sensornetzwerk ist.

Anfang April 2017 trafen sich führende Wissenschaftler für einige Tage auf dem Universitätscampus von Washington und diskutierten, wie die Bedrohung der Region Cascadia am besten zu überwachen sei. Nach zwei Tagen mit Vorträgen und Diskussionen entwarfen die Teilnehmer in Kleingruppen ihr bevorzugtes Sensornetz. Jede Gruppe erhielt hierfür einen großen Plan der Küstenlinie, einen Haufen bunter Stifte und die Aufforderung zum Träumen. Einige Gruppen waren für eine linienförmige Anordnung der Geräte auf dem Meeresboden vor der Küste und für Wellengleiter zum Sammeln der Daten. Dazwischen planten sie Seismometer zur laufenden Messung der Erdbebenaktivität sowie Tsunami-Alarmbojen, die vor jeder gefährlichen Welle warnen sollten. Andere Gruppen planten Versorgungskabel, die auf dem Meeresboden ausgelegt und mit wissenschaftlichen Instrumenten bestückt sind. An Stelle der Gleiter und Bojen für die Datenübertragung würden diese Sensoren ihre gesammelten Daten direkt durch das Kabel zur Küste schicken.

5700 Kilometer Kabel mit 150 Observatorien

Zwei Basis-Observatorien existieren bereits in Cascadia. Das Ocean Observatories Initiative Cabled Array ist mit einem 900 Kilometer langen Kabel ausgestattet, das von Oregons Küste hinaus bis zu einem Unterwasservulkan und wieder zurück verläuft. Auf der nördlichen Seite der Grenze in Kanada hat Ocean Networks Canada ein ähnlich langes Kabel gelegt, das sich bis zur Subduktionszone windet. Beide sind an mehreren Knotenpunkten über die ganze Länge mit geodätischen und seismischen Instrumenten bestückt.

Die Kabel, von denen im Workshop geträumt wurde, wären eine deutliche Erweiterung der bisherigen. Dabei sähen sie dem 100 Millionen US-Dollar teuren japanischen Meeresboden-Observatorium DONET-2 ähnlich, das 2016 in der Nankai-Mulde, einem Teil einer Subduktionszone nahe der Städte Osaka und Kobe, fertig gestellt wurde. Das Hauptkabel von DONET-2 hat eine Länge von 500 Kilometern und ist mit 29 einzelnen Observatorien dicht besetzt, berichtet Katsuyoshi Kawaguchi, der stellvertretende Direktor des Observatoriums an der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology in Yokosuka. Ein zweites, sogar noch ambitionierteres Projekt wurde ebenfalls in Japan auf den Weg gebracht und soll 150 Observatorien entlang eines 5700 Kilometer langen Versorgungskabels verbinden. Das 320 Millionen US-Dollar schwere S-NET Projekt wird nach und nach vor der Küste südlich von Hokkaido installiert. Die ersten Segmente wurden im Mai 2016 in Betrieb genommen, die Sektion im tiefsten Wasser wird in den nächsten paar Monaten gebaut. Jedes Observatorium enthält Drucksensoren von Paroscientific mit einem Wert von etwa 50 000 US-Dollar pro Set.

"Weil Tsunamis lediglich alle 300 Jahre auftreten, lassen sich die lokalen Behörden nur schwer ins Boot holen"
Jerry Paros

Die Daten beider japanischer Observatorien werden in das landesweite Frühwarnsystem für Erdbeben und Tsunamis eingespeist; dieses war grundlegend erweitert worden, nachdem beim Tohoku-Erdbeben fast 16 000 Menschen ihr Leben ließen. Das Beben löste auch den Tsunami aus, der das Atomkraftwerk von Fukushima überflutete und einen Reaktorunfall sowie eine landesweite Energiekrise verursachte.

Paros hofft natürlich, dass seine Sensoren eines Tages auf dem gesamten Meeresboden vor Cascadia als Teil eines breiten Überwachungsnetzes zum Monitoring von Naturkatastrophen zum Einsatz kommen. "Nachdem Tsunamis aber lediglich alle 300 Jahre auftreten, lassen sich die lokalen Behörden nur schwer ins Boot holen", klagt er. Und so mischt er sich unter die Wissenschaftler und versucht, möglichst viele seiner Druckmessgeräte an den Mann und in die Ozeane zu bringen. Erst Anfang Juni 2017 haben Ingenieure der University of Washington ein neues Set Sensoren auf einem kleinen, verkabelten Observatorium auf dem Meeresboden angebracht. Dort wird es nun für ein paar Monate verbleiben und Tests durchführen. "Es ist ein bisschen wie bei Sisyphos, der den Stein immer bergauf rollte", erklärt Paros. "Ich möchte einfach den Keim legen und zeigen, dass es technisch möglich ist. Die Regierung erkennt hoffentlich, wie wichtig das Ganze für die öffentliche Sicherheit ist."

Der Artikel ist am 22. Juni 2017 im Original unter dem Titel "The fight to save thousands of lives with sea-floor sensors" in "Nature" erschienen (Nature 546, S. 466–468, doi:10.1038/546466a).