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Tsunamis: Die nächste Welle

Vor der kanadischen Küste wurde ein seit dem Tsunami vor einem Jahr vermisstes japanisches Fischerboot gesichtet, und erst kürzlich versetzte eine neue Tsunamiwarnung Japan erneut in Furcht - wenige Tage nach dem ersten Jahrestag der Tohoku-Tragödie, die mindestens 15 000 Menschen das Leben kostete und das Reaktorunglück von Fukushima auslöste. Wissenschaftler versuchen aus dieser Katastrophe ihre Lehren zu ziehen - und die Prognosen für die Flutwellen zu verbessern und zu beschleunigen.
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Kaum hatten die Erschütterungen am 11. März letzten Jahres nachgelassen, taumelte Ken-Ichi Sato zurück in sein Büro und drückte auf den Alarmknopf. Überall in der Stadt Kesennuma im Nordosten Japans schrillten nun die Sirenen los: Der Notfallbeauftragte der Küstengemeinde kam seiner Pflicht nach und warnte die 64 000 Bewohner, dass ein Tsunami drohen könnte.

Nur eine Minute später verfestigte sich diese Befürchtung, als Sato eine Nachricht von der japanischen Wetterbehörde (JMA) erhielt, dass das Beben relativ stark war – mit einer anfänglich auf 7,9 geschätzten Magnitude – und unmittelbar vor der Küste der Miyagi-Präfektur in der Tohoku-Region losbrach, zu der Kesennuma gehört. Die Bevölkerung solle sich auf eine sechs Meter hohe Flutwelle vorbereiten, warnte die Agentur, und in den Nachbarprovinzen Iwate und Fukushima würden immerhin bis zu halb so hohe Wellen erwartet. Sato setzte über Lautsprecher sofort einen Evakuierungsnotruf ab.

Als die Tsunamis jedoch eine halbe Stunde später über die Stadt hereinbrachen, übertrafen sie noch die ursprünglichen Schätzungen der Behörde: Die Wassermassen, die nach Kesennuma hineindrängten, erreichten Höhen bis zu neun Metern. Und an anderen Abschnitten der Küste türmten sie sich sogar bis zu 20 Meter hoch auf. Sie schwappten mit Leichtigkeit über Schutzmauern und andere Barrieren, die die Küstenlinie von Tohoku gegen Wellen wappnen sollen. Mindestens 15 000 Menschen starben durch das Erdbeben und die Tsunamis – viele davon, weil sie nicht in höher gelegene Gebiete flohen, da sie sich laut der ursprünglichen Warnung in vermeintlich sicheren Bereichen aufhielten. Allein in Kesennuma verloren 1031 Personen ihr Leben, und Hunderte werden noch vermisst.

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Tsunamihöhen | Da durch die Erschütterungen gewaltige Wassermassen im Pazifik angehoben wurden, entstanden riesige Tsunamis, die die Küste Japans verwüsteten. Vom Epizentrum breiteten sie sich dann über das ganze Meer aus, wobei ihre Wellenhöhen mit zunehmender Entfernung niedriger wurden.

Sato glaubt, dass die Zahl der Toten niedriger ausgefallen wäre, wenn er früher das wahre Ausmaß der drohenden Gefahr gekannt hätte: "Wir hätten höhere Alarmstufen ausrufen und sicherstellen können, dass die Leute sich in ausreichend hoch liegende Gebiete zurückziehen."

Ein Jahr später ringen Wissenschaftler und Katastrophenschützer immer noch damit, ihre Tsunamiwarnsysteme zu verbessern, bevor das Meer wieder zuschlägt. Japan zum Beispiel beginnt bald damit, ein rund 300 Millionen Euro teures Sensorensystem in der Tiefsee zu installieren, das heranrollende Tsunamis früher erkennen und anzeigen soll. Und die Vereinigten Staaten überlegen, ob sie einige ihrer Tiefseewarnbojen vor der Nordwestküste des Landes näher an die Subduktionszone der Juan-de-Fuca-Platte rücken, die hier nahe zum Festland unter die Nordamerikanische Platte taucht: In den nächsten Jahrzehnten erwarten hier viele Experten ein Megabeben.

Frage von wenigen Minuten

Damit wollen die Beteiligten die Fortschritte ausbauen, die seit 2004 auf dem Gebiet der Tsunamivorhersage erreicht wurden. Damals töteten durch ein Erdbeben ausgelöste Flutwellen mehr als 230 000 Menschen in Südostasien. Das Ereignis brachte die katastrophale Wirkung der Wassermassen ins Licht der Öffentlichkeit und sorgte dafür, dass viele Länder Geld in ihre Erforschung und die dafür nötige Ausrüstung pumpten. Katastrophenschützer können deswegen heute relativ genau prognostizieren, wie sich Tsunamis über ganze Meeresbecken ausbreiten und wo sie welche Küstenabschnitte tausende Kilometer entfernt vom Epizentrum treffen können.

Als nächstes, deutlich schwierigeres Ziel gilt es, die Vorwarnzeit für unmittelbar angrenzende Gebiete zu verbessern: Hier bleiben mitunter nur wenige Minuten Zeit bis zum Desaster. "Etwa 95 Prozent aller Tsunamiopfer sterben durch lokale oder regionale Überflutungen", sagt Laura Kong, Direktorin des International Tsunami Information Center in Honolulu. "Wie gehen die Vereinigten Staaten oder andere Länder dieses Problem mit den ihnen zur Verfügung stehenden Mitteln an?"

Erdbeben und Tsunami in Minato, Japan, am 18.03.2011Laden...
Erdbeben und Tsunami in Japan | Am 11. März 2011 brachte ein schweres Erdbeben vor der Küste Japans das Meer in Wallung: Mehrere haushohe Tsunamis rauschten in die nordöstlichen Küstenprovinzen des Landes und sorgten für schwere Zerstörungen, wie auf diesem Bild zu sehen.

Das japanische Sensorennetzwerk, das sich an der Ostküste des Inselstaats entlangzieht, besteht aus 154 Beobachtungsplattformen am Meeresgrund mit jeweils einem Seismometer und einem Wasserdruckmesser, der darüber hinwegrauschende Tsunamis erfassen könne, so Toshihiko Kanazawa, der das Netzwerk zusammen mit seinem Team vom nationalen Forschungsinstitut für Geowissenschaften und Katastrophenvorsorge (NIED) in Tsukuba entwickelt hat. Glasfaserkabel verknüpfen die einzelnen Stationen in sechs großen Schleifen, die alle jeweils an zwei weit voneinander entfernten Stellen an Land gehen. Laut NIED bleibt dieses System dadurch selbst dann noch funktionsfähig, wenn ein Tsunami eine Landstation oder ein Kabel zerstört – so wie im März 2011, als einige Beobachtungsstationen vor der Küste Tohokus ausfielen. Bis März 2015 soll dieses Netzwerk endgültig fertig gestellt werden.

Getestet und für gut befunden

Bereits in Betrieb befindet sich ein verkabeltes Netzwerk entlang des Nankai-Grabens südlich von Tokio, wo Experten ein schweres Beben in den nächsten Jahrzehnten erwarten. Das System habe "sich im Text bewährt", so Kanazawa: Sein einfacher Aufbau eignet sich gut für Tsunami-Warnungen.

Die NIED-Messgeräte sitzen zwischen der Küste und dem potenziellen Epizentrum – dem Tiefseegraben, in dem die Pazifische Platte unter das Krustenstück abtaucht, das Nordjapan trägt. Wenn die Pazifische Platte kräftig vorwärtsruckt, sorgt sie dafür, dass die Kante der darüberliegenden Platte nach oben schnellt und damit ein riesiges Volumen an Wasser in Bewegung setzt: Ein Tsunami entsteht. Die Welle rast durch den gesamten Wasserkörper des offenen Ozeans und erreicht dabei Geschwindigkeiten bis zu 700 Kilometer pro Stunde. Dort draußen hebt sich der Meeresspiegel nur um maximal ein bis zwei Meter, doch wenn sie flache Küsten erreichen, werden die Wellen auf weniger als ein Zwanzigstel ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit abgebremst: Sie stauen sich zu gigantischen Wasserwänden auf, die über das Land hereinbrechen. Sobald das NIED-System läuft, erkennt es die Druckschwankungen, die ein Tsunami verursacht, wenn er von der Tiefsee auf den kontinentalen Schelf des Ozeans gelangt. Dadurch gewinnt man 5 bis 20 Minuten Vorwarnzeit für die Küstenbewohner.

Zusätzlich plant die JMA, drei Tiefseebodensensoren auf der anderen Seite der Subduktionszone zu installieren, die Tsunamis erfassen sollen, die in die andere Richtung hinaus aufs Meer rasen. Statt Daten durch ein Kabel zu übertragen, senden diese Geräte akustische Signale an nahe gelegene Bojen, die diese Information wiederum an Satelliten im All weiterleiten. Die Bojen lassen sich schneller ausbringen als das verkabelte Netzwerk und werden deshalb schon dieses Jahr verankert, hofft Kanazawa.

Sie werden Bestandteil eines bereits bestehenden Bojenverbunds mit dem Namen DART: Deep-Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis. Die USA brachten schon 40 derartige Schwimmkörper im Pazifik und Atlantik aus, und andere Länder kauften 14 weitere Bojen, die ebenfalls im Pazifik sowie im Indischen Ozean treiben. Fast alle der erhobenen Daten werden international geteilt.

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Soma und Hafen | Die Kleinstadt Soma in der Region Fukushima, rund 50 Kilometer südlich vom gleichnamigen Atomkraftwerk. Die Umgebung wurde besonders schwer durch die Tsunamiwelle getroffen.

Den Anstoß, DART zu entwickeln, gab teilweise ein teurer Fehlalarm, erinnert sich Eddie Bernard, der das System entworfen hat und 2010 als Leiter des Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL) der NOAA in Seattle in Ruhestand ging. Als ein Beben der Stärke 8 im Jahr 1986 die Aleuten traf, evakuierte Hawaii seine Strände und tiefer gelegenen Küstenabschnitte, was rund 40 Millionen Dollar kostete – inklusive Einnahmeausfälle im Tourismus. Als der Tsunami jedoch die Inseln erreichte, war er nur 15 Zentimeter hoch. Der verantwortliche Katastrophenschützer rief Bernard an und fragte: "Warum schafft ihr keine besseren Vorhersagen?"

Wächter auf dem Meer

Er und andere Wissenschaftler betrachteten die DART-Bojen ursprünglich als Wachposten für den gesamten Ozean, die Ausschau halten nach Tsunamis aus fernen Epizentren – der Typus, der normalerweise Hawii bedroht. Deshalb wurden sie auch weit vor der Küste ins Meer gesetzt: Zum einen sollten sie die größtmögliche Anzahl an Flutwellen erfassen können. Und zum anderen sorgten sich die Forscher, dass das tektonische Signal eines nahen Erdbebens die seismischen Vibrationen eines Tsunamis vollkommen übertönen könnte.

Das Tohoku-Beben brachte diesbezüglich ein Umdenken: Japanische und US-amerikanische Fachleute diskutieren nun darüber, wie man derartiges Rauschen herausfiltern könne. Dadurch ließen sich die Sensoren wesentlich näher an die Verwerfungszonen heranrücken, überlegt Vasily Titov vom PMEL: "Wir könnten die Plattformen an Orten niederbringen, die nur fünf Minuten vom Epizentrum entfernt wären." Sobald die Front eines Tsunamis das Messgerät erreiche, dauere es nur weitere fünf bis zehn Minuten, bis die Hälfte der Welle vorübergerauscht sei. Daraus könnte man dann die Höhe des Tsunamis berechnen, so Titov weiter.

Die USA hoffen daher jetzt, dass sie zumindest einige ihrer DART-Bojen näher an Risikogebiete heranführen können, etwa vor den Bundesstaaten Oregon und Washington. Notfallzentren verknüpfen dann die einlaufenden Daten mit räumlichen Modellen der Küstenlinie, um den Grad der zu erwartenden Überflutungen schneller zu erfassen. "Innerhalb von nur einer halben Stunde erhält man dann eine sehr gute Vorhersage, welche Regionen überschwemmt werden", sagt Titov – eine unschätzbare Hilfe für Katastrophenschützer, die entscheiden müssen, welche Landstriche evakuiert werden müssen und wann die Menschen höher gelegene Gebiete aufsuchen sollen.

In den Gebieten, die am nähesten zum Epizentrum liegen, würden viele Menschen jedoch sterben, müssten sie auf die Prognosen warten. Die ersten Flutwellen eines Cascadia-Bebens im US-Nordwesten treffen innerhalb von 15 bis 20 Minuten an Land, und das Problem ist sogar noch größer in Japan oder den Aleuten, wo dies schon nach wenigen Minuten passieren kann. Hier soll deshalb ein Stufenplan helfen: Nach einer ersten schnellen, aber allgemeinen Warnung werden die Meldungen nach und nach detaillierter, sobald die ersten Messungen vom Meeresgrund eintreffen.

Auf und nieder

Das Tohoku-Beben zeigt, wie derartige Daten helfen – und Schaden anrichten können. Während einer internationalen Tagung in Sendai im Februar beschreibt Osamu Kamigaichi von der JMA einige Probleme, mit der seine Behörde während des Desasters zu kämpfen hatte. Als das Beben gegen 14.46 Uhr losbrach, stellte sie mit Hilfe von seismischen Wellen rasch dessen Ausmaß und Entstehungsort fest. Dann simulierte sie mögliche Tsunamiszenarien mit der geschätzten Bebenmagnitude, um Aussagen über die Wellenhöhen zu gewinnen. Innerhalb von nur drei Minuten gingen diese Ergebnisse hinaus zu den Notrufzentralen.

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Tsunamiwarnsystem | Die US-amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration hat im Pazifik ein eigenes Tsunamiwarnsystem installiert, das die heranrauschenden Wellen erfassen und Alarm geben soll. Es besteht aus Seismometern, die Beben registrieren, Drucksensoren, Messbojen und Satelliten, die plötzliche Veränderungen der Meereshöhe nach einem Erdbeben erfassen und an Land funken.

Diese Methode funktioniert jedoch nur für kleinere Erdstöße gut, die schwächer als 8 ausfallen. Die Wasserberge durch einen kräftigeren Schock kann sie nicht ermitteln. Die JMA betrachtete dies allerdings nicht als Schwierigkeit, da sie in der Region kein Beben erwartete, das stärker als 7,9 ausfallen würde. Tatsächlich wackelte hier die Erde jedoch mit einer Magnitude von 9,0 – und damit zehnmal kräftiger als maximal erwartet.

Die ersten Hinweise, dass hier etwas schrecklich schieflief, trudelten gegen 14.58 Uhr ein: neun Minuten nach dem ersten Alarm. Ein verkabelter Drucksensor zeichnete zwar eine unerwartet große Schwankung des Meeresspiegels vor der Iwate-Präfektur auf, doch die Wetterbehörde konnte diese Daten nicht richtig in ihre Simulationen einfließen lassen, um damit die Warnmeldungen auf den aktuellsten Stand zu bringen.

Um 15.10 Uhr notierte ein GPS-Sensor vor der Küste von Iwate ebenfalls einen großen Tsunami. Anhand dieser Messung schätzte die JMA, wie stark die Wassermassen im flachen Uferbereich anschwellen würden. Um 15.14 Uhr sandte sie einen überarbeiteten Notruf aus, in dem zehn Meter hohe Wellen in Miyagi und sechs Meter hohe Wellen in Iwate und Fukushima prognostiziert wurden. Zu diesem Zeitpunkt hatten aber bereits die ersten Fluten die Küste verwüstet. Verwirrung könnte die Behörde auch gestiftet haben, als sie die ersten Wellenhöhen eines küstennahen Tidenmessers veröffentlichte, die nur 20 Zentimeter betrugen. Die frühesten Ausläufer von Tsunamis müssen aber nicht notwendigerweise auch die höchsten sein. Und diese erste Nachricht habe vielleicht dafür gesorgt, dass manche Menschen ihre Flucht verzögert oder gänzlich gestoppt haben, befürchtet Kamigaichi.

Die JMA plant daher, eine neue Tsunami-Warnprozedur bis zum Ende des Jahres einzuführen. Sie entwickelt gegenwärtig eine Analysemethode, die herausfinden soll, ob ihre Schnelllösung womöglich die wahren Ausmaße eines Bebens unterschätzt. Dieses Werkzeug nutzt Aufzeichnungen der stärksten Erschütterungen, die aus einem weiten Umfeld einlaufen, sowie die ersten Messungen langwelliger Erdbebenwellen, die etwas später auftreten. Deuten diese zusätzlichen Informationen darauf hin, dass die ursprüngliche Schätzung der Erdbebenstärke korrekt ist, veröffentlicht die JMA eine Warnung, die die Höhe des zu erwartenden Tsunamis mit einschließt. Im anderen Fall folgt ein "Worst-Case"-Szenario, das auf historischen Daten für die Region beruht und nur eine qualitative Aussage wie "groß" oder "riesig" zum Tsunami beinhaltet. Spätestens nach 15 Minuten soll diese Warnung dann aktualisiert werden, wenn die tatsächlichen Daten der Sensoren eintreffen.

Erstes Ziel: Leben retten

Die Modellierer in den USA und Japan sind überzeugt davon, dass sich ihre Arbeit irgendwann auszahlt. Kenji Hirata, ein erfahrener Wissenschaftler an der JMA, meint, er benötige noch ein paar Jahre für seine Algorithmen, mit denen er die Daten von Tsunamis in Frühwarnsysteme für küstennahe Erdbeben zeitnah auswerten kann. Besonders hilfreich ist diese Arbeit vielleicht für Regionen, die entfernt vom unmittelbar betroffenen Epizentrums liegen und wo die Menschen eine Stunde und mehr Zeit haben, bevor die Tsunamis eintreffen, die dann immer noch beträchtliche Höhen erreichen können. Katastrophenschützer vermögen dann vielleicht anhand dieser Hightechdaten genauer einzuschätzen, ob sie evakuieren sollen oder nicht.

Selbst in Landstrichen, die sehr schnell überspült werden, könnten die direkten Messungen helfen: Sie geben womöglich eine Vorstellung davon, ob die nachfolgenden Wellen größer oder kleiner ausfallen. Und sie liefern eventuell Hinweise darauf, ob ein relativ kleines Erdbeben Erdrutsche unter Wasser ausgelöst hat, die ihrerseits dann große Tsunamis verursachen. Diese Ereigniskette lief nach einem Beben der Stärke 7,1 in Papua-Neuguinea 1998 ab. Mehr als 2000 Menschen starben durch einen Tsunami: Sie waren nicht geflohen, weil die Erschütterung vergleichsweise schwach war.

Kritiker mahnen allerdings, dass selbst teuerste Hardware nicht grundlegende Aufklärung über die Gefahr durch Tsunamis ersetzen könne. In vielen Fällen können die Menschen schlicht aus Zeitgründen nicht auf Tsunamiwarnungen warten. "Wer an der Küste lebt, sollte sein eigenes Warnzentrum sein", fordert deshalb Costas Synolakis von der University of Sothern California in Los Angeles. "Dauert ein Beben länger als 30 Sekunden, dann ist es ein sehr nahes und schweres. Und dann sollte man sich schnell in Sicherheit bringen. Dauert es länger als zwei Minuten, dann lauft um euer Leben. Das ist ein Gigant!"

13. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 13. KW 2012

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