Modellprojektionen der Wellenhöhen des Japan-Bebens am Freitag. Bild von NOAA. Klicken Sie auf das Bild für eine höhere Auflösung.
Das schwere Erdbeben der Stärke 8,9, das am 11. März 2011 vor der Hauptinsel Japans an der Ostküste erschütterte, löste einen heftigen Tsunami aus, der Tausende von Menschenleben gefordert haben könnte, und Tsunami-Warnungen im gesamten Pazifikbecken, Tausende von Kilometern von den Beben entfernt Epizentrum. Wie lösen Erdbeben solch gewaltige Tsunami-Ereignisse aus und wie können Wissenschaftler vorhersagen, wohin sich diese massiven Wellen ausbreiten könnten? Universe Today sprach mit Anne Sheehan, Professorin für geologische Wissenschaften an der University of Colorado in Boulder, die auch dem Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences angehört, und erhielt Input von David Admiraal, einem außerordentlichen Professor für Ingenieurwissenschaften an der der University of Nebraska Lincoln.
Universe Today: Wie löst ein Erdbeben einen Tsunami aus?
David Admiral:Tsunamis entstehen, wenn Sie ein Erdbeben haben und wenn sich der Meeresboden verschiebt, wodurch das Wasser verdrängt wird, und diese Verlagerung führt zur Bildung einer Welle.
UT: Muss ein Erdbeben eine bestimmte Stärke haben, um einen Tsunami auszulösen?
Anne Sheehan:Es hängt davon ab, wo es mehr ist als die Größe. Es muss etwas sein, das den Meeresboden verdrängt – ein großes Erdbeben in Colorado wird zum Beispiel keinen Tsunami auslösen. Und manchmal gibt es Erdbeben, die einen großen Tsunami verursachen, und die Erdbeben sind nicht allzu groß – sie haben einfach mehr Meeresboden bewegt. Es gibt also keine feste und schnelle Größenbegrenzung, aber es muss unter dem Ozean stattfinden und den Meeresboden vertikal bewegen – wenn es sich von einer Seite zur anderen bewegt, spielt es keine Rolle.
UT: Wie schnell breiten sich Tsunami-Wellen aus?
Sheehan:Sie fahren etwa 800 km pro Stunde (500 Meilen pro Stunde). Das scheint schnell, ist aber im Vergleich zu einer seismischen Welle langsam. Es wird gesagt, dass Tsuanmis die Geschwindigkeit eines Düsenflugzeugs haben, aber es dauert immer noch Stunden und Stunden, um von Tokio nach Hawaii zu fliegen, und es dauerte ungefähr 7 Stunden, bis der Tsunami die Küste von Hawaii erreichte, was eine gute Sache ist, denn das gibt Menschen Zeit zu evakuieren und vorzubereiten. Aber dennoch ist dies eine hohe Geschwindigkeit für das Reisen auf dem Ozean, und es kann aufgrund der Tiefe des Ozeans so schnell sein.
Die Geschwindigkeit der seismischen Welle, der P-Welle (oder Primärwelle, die die schnellste Art der seismischen Welle ist), beträgt etwa 8 km pro Sekunde oder 30.000 km pro Stunde. Das ist also um einiges schneller, und es kann nur wenige Minuten dauern, bis die seismische Welle dieselbe Distanz zurückgelegt hat.
UT: Wie unterscheiden sich Tsunamis von normalen Wellen, die wir im Ozean haben?
Sheehan:Sie sind anders, weil sie keinen Peak und kein Tal haben, die Bruchteile von Sekunden lang sind. Bei Tsunamis sind Gipfel und Tiefpunkt etwa 15 Minuten lang. Die Größe der Welle ist riesig – auch wenn ihre Amplitude bzw. ihre Höhe nicht viel größer ist als beim Surfen, aber dahinter ragt eine ganze Wasserwand 15 Minuten lang ins Meer . Es ist möglicherweise von der Oberfläche aus nicht wahrnehmbar – es kann nur eine kleine Erhöhung auf der Oberfläche sein. Für Schiffe auf den Ozeanen sind die Wellen kaum wahrnehmbar, aber in Häfen können sie ziemlich herumgewirbelt werden.
Admiral:Im Ozean gibt es also vielleicht nur einen kleinen Anstieg der Oberfläche, aber der Anstieg enthält viel Energie. Wenn es ans Ufer kommt, wo das Meer flacher ist, nimmt die Wellenlänge der Welle stark ab, da die Geschwindigkeit der Welle abnimmt. Und wenn das vordere Ende der Welle beim Auftreffen auf flacheres Wasser und das kurze Wasser verlangsamt, bewegt sich das vordere Ende viel langsamer als das hintere Ende und so holt das hintere Ende der Welle das vordere Ende ein und die Welle beginnt sich zu entwickeln eine hohe Amplitude. Wenn es die sehr geringen Tiefen erreicht, wo es bricht, und das hintere Ende das vordere Ende einholt, kann die Höhe so hoch sein, dass es alles auf der Landoberfläche neben dem Ozean beschädigen kann.
Sheehan:Der Unterschied zwischen einem Tsunami und einer Meereswelle besteht darin, dass ein Tsunami wie ein ganzer Fluss ist, der auftaucht –– ein Tsunami ist wie eine Stromschnelle der Klasse 4, die einfach auftaucht und plötzlich hat man einen Wasserfluss, der nicht da war Vor.
UT: Warum kann die Höhe von Tsunamiwellen nicht sehr gut vorhergesagt werden, bevor sie das Ufer erreichen?
Sheehan:Während wir die Geschwindigkeit und die Richtung ziemlich gut vorhersagen können, kann die Höhe an einem bestimmten Ort ziemlich schwer vorherzusagen sein.
Es gibt DART-Bojen (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis) im Ozean und auf dem Meeresgrund, um den Druck des Meeresbodens zu messen, und es misst die Tsunamis, um zu sehen, wie groß sie sind, und sie haben Modelle, um vorherzusagen, was die Amplituden werden. Möglichkeiten zur Verbesserung der Überwachung wären mehr Bojen und detailliertere Karten des Meeresbodens, da die Muster der Meeresbodentopographie einen großen Einfluss darauf haben, wie sich die Wellen konzentrieren könnten. Daran arbeitet die NOAA aktiv für die USA und ihre Territorien. Wenn Sie eine bessere Meeresbodenkarte haben, haben Sie eine bessere Schätzung des Tsunami-Modells und wenn Sie mehr Daten von den Wellen im offenen Ozean haben, haben Sie auch eine bessere Höhenschätzung.
Um einen nachfolgenden Tsunami vorherzusagen, spielen auch Daten über das Erdbeben selbst eine große Rolle – die Lokalisierung seines Epizentrums und die möglichst genaue Kenntnis seiner Größe spielen eine große Rolle, und das USGS spielt eine große Rolle dabei, diese Informationen so schnell wie möglich zu übermitteln.