Schnelle Warnung vor langen Wellen

	Bild: GFZ

Frühwarnsysteme aus Deutschland sollen vor Tsunamis schützen. Doch wie funktionieren sie eigentlich genau? Und kann das System leisten, was es verspricht?

Von Jörg Auf dem Hövel 

Am Morgen des 26. Dezember 2004 löste sich im Unterseeboden vor Sumatra eine gewaltige Spannung. Dort, in sechs Kilometer Tiefe, wandert seit Jahrmillionen die ozeanische Erdkruste von Westen nach Osten, kollidiert dabei am Sunda-Bogen mit der Eurasischen Platte und schiebt sich darunter. An diesem Tag entstand ein Riss von etwa 1000 Kilometern Länge, die Sumatra-Platte wurde an einigen Stellen um bis zu 30 Metern angehoben. Die darüber liegenden Wassermassen kamen in eine Bewegung, die letztlich über 250.000 Menschen das Leben nahm. Der in konzentrischen Wellen durch den indischen Ozean laufende Tsunami verwüstete ganze Küstenregionen in den Anrainerstaaten.

Der genaue Zeitpunkt solcher Beben lässt sich nicht voraussagen, um die Menschen in den gefährdeten Regionen in Zukunft dennoch zu schützen, setzt die internationale Gemeinschaft auf ausgefeilte Frühwarnsysteme. Keine einfache Aufgabe, denn nicht jedes starke Seebeben erzeugt einen Tsunami. Erschwerend kommt hinzu, dass der Tsunami (jap. für: „Welle im Hafen“) seine tödliche Wucht erst beim Auflaufen an Land entfaltet – auf See beträgt der Wellenhub oft nur wenige Zentimeter. Der Tsunami von 2004 war auf dem offenen Meer mit etwa 60 Zentimetern allerdings sehr hoch. Trotzdem bemerkten im vergangenen Jahr Schiffe auf offener See nichts von der unaufhaltsamen Katastrophe, unter ihnen rutschte die große Hauptwelle unbemerkt durch. Und das, obwohl das Beben mit 9,3 Punkten auf der Richterskala das zweitstärkste der letzten hundert Jahre war.

Im Gegensatz zu Erdstößen brauchen Tsunamis erheblich länger zu ihrer Verbreitung; dieses Zeitfenster kann ausgenutzt werden, um die Evakuierung küstennaher Regionen einzuleiten. Seit dem Asien-Beben bauen verschiedene Nationen Warnsysteme auf oder erweitern ihre bestehenden. Das Prinzip ist dabei ähnlich: Die Wissenschaftler setzten auf eine Kombination von Seismologie, Erkennung von ozeanischen Druckveränderungen, Satellitenkommunikation, Küstenkartierung die mit Computer-Simulation verbunden werden.

Die Anrainerstaaten rund um den pazifischen Ozean betreiben auf Hawaii das PTWS (Pacific Tsunami Warning System), 26 Staaten nutzen dessen Daten. Über 40 seismographische Stationen auf dem Festland und den pazifischen Inseln registrieren selbst kleinste Erdstöße sofort und melden sie in Echtzeit an das Lagezentrum auf Hawaii. Ein Dutzend Tidenhub-Kontrollstationen überwachen zugleich die Wasserstandshöhe an verschiedenen Standorten.

Um zu analysieren, ob sich aus einer unterseeischen Erdbewegung tatsächlich eine Welle entwickelt, greift man auf die Daten von sogenannten DART-Bojen (Deep-Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis) zu, die an bisher acht verschiedenen Standorten in dem ausgedehnten Weltmeer stationiert sind. Es sind aber nicht die Bojen selbst, die eine Welle erfassen, sie dienen vielmehr als Relais-Stationen für die Daten, die vom Meeresgrund an die Oberfläche gefunkt werden.

Korrespondierend zu jeder Boje liegt nämlich in bis zu 6000 Metern Tiefe eine rund drei Meter lange Plattform, das sogenannten „Tsunameter“. Dies ist das Kernstück jeder Tsunami-Erkennung. In dieser unwirtlichen Umgebung beherbergt die Plattform ein Sensorsystem und Lufttanks zum Wiederauftauchen. Um jede Druckveränderung im Wasser sofort zu erfassen, nutzt man einen "Digiquartz"-Sensor, der den Unterwasserdruck zu jeder Zeit misst und in einer Flash-Karte speichert. Ein dahinter geschalteter 32-bit Microcontroller (Motorola 68332) mit 512 Bytes RAM errechnet mit Hilfe einem Algorithmus, ob die Druckveränderungen im Normalbereich liegen oder auf einen Tsunami hinweisen.

Liegt ein Hinweis auf einen Tsunami vor, schaltet das Modul in einen neuen Zustand und sendet statt alle 12 Stunden die Signale nun alle 15 Sekunden an die Oberfläche. Dies geschieht allerdings nicht über ein Kabel, sondern über eine akustisches Modem, das die digital kodierten Daten auf dem 9-14 kHz-Band mit nur 600 bit/s sendet. Als Modulation dient das herkömmliche X-Modem-Protokoll. In 75 Metern Höhe über der Tiefsee-Plattform schwebt zudem ein Ring von Glaskugeln, der die Meeresströmung misst. Gespeist wird das gesamte System von Batterien, deren 2000 Wattstunden rund vier Jahre halten sollen.

Durch das Wasser werden die akustischen Signale zur Boje geleitet, die mit einem langen Nylon-Seil am Meeresgrund verankert ist. Je nach Fischaufkommen bestehen die letzten Hunderte von Metern aus einem Drahtgeflecht, dies verhindert den Verlust der Boje durch bissfreudige Meerestiere. Über das „Global Positioning System“ (GPS) wird die Position der Boje kontrolliert, im Inneren verrichtet der gleiche Microcontroller wie am Grund die Verarbeitung der Signale und deren Weiterleitung an einen der 66 Iridium-Satelliten, die in etwa 780 Kilometern Höhe in polaren Umlaufbahnen kreisen.

Alle Apparaturen in der Boje sind redundant ausgelegt, nicht nur, um bei einem technischen oder witterungsbedingten Ausfall die schnelle Wiederaufnahme des Datenflusses  zu gewährleisten, sondern auch für den schnellen Datentransport: Im Ernstfall funken beide Systeme gleichzeitig mit rund 2400 bit/s Richtung Satellit, der das Signal unverzüglich an die Bodenstation in Hawaii weiterleitet.

Die hier eintreffenden Rohdaten reichen für eine Tsunami-Warnung allerdings bei weitem nicht aus, erläutert Professor Stefan Dech vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Erst die schnelle Interpretation der Messdaten nach einem Beben mit im Voraus berechneten Simulationen lässt eine Voraussage zu“. Das deutsche Forscherteam, das das ehrgeizige Ziel verfolgt, auch für die besonders gefährdeten Regionen von Sumatra und Java ein Frühwarn- und Krisenmanagementsystem zu errichten, rechnet daher Tausende von Simulationen, um im Ernstfall vorhersagen zu können, wo und mit welcher Wucht ein Tsunami an Land kommt. Im ersten Schritt wird der eintreffende Datenfluss mit den im Computer abgelegten Simulationen kontinuierlich abgeglichen, um das Verhalten des Tsunamis auf offener See zu verstehen. In einem zweiten Schritt wird diese Prognose auf das Verhalten der Wellen in den betroffenen Küstengebieten angewandt. Um einen teuren Fehlalarm zu vermeiden sind genaue Kenntnisse der Meeres- und Küstentopographie sowie der Infrastruktur vonnöten. „Unser Ziel ist, dass die Behörden vor Ort eine Chance erhalten, auch in der Kürze der Zeit verlässliche Warnungen auszusprechen und Evakuierungen zu starten“, sagt Dech.

Wie wichtig dieses Wissen ist, zeigt der Tsunami aus dem Jahr 1992 in Nicaragua. Er erreichte in der Ortschaft El Transito eine Höhe von elf Metern, im nur zwei Kilometer entfernten Playa Hermoza blieben dagegen sogar die Sonnenschirme am Strand stehen. Genaue Angaben zur Topographie des Meeresbodens und der Küsten fehlen für viele Regionen im Pazifik, mehr noch aber für den indischen Ozean. Schon aus militärisch-sicherheitspolitischen Gründen wollen viele Staaten keine allzu genauen Vermessungen ihrer küstennahen Off-Shore-Gebiete zulassen.

In Indonesien wird in den kommenden Jahren das deutsche Forschungsschiff „Sonne“ zusammen mit indonesischen Schiffen der „Baruna Jaja“-Flotte diese wichtige Aufgabe übernehmen. Hier installiert ein Konsortium mehrerer deutscher Großforschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft zur Zeit ein Tsunami-Frühwarnsystem, das bis 2008 fertig gestellt und mit den von der UNESCO vorgeschlagenen Tsunami-Kommunikations-Protokollen kompatibel sein soll.

Trotz vieler Fehlalarme zeigte sich das Funktionieren von DART vor zwei Jahren. Im November 2003 registrierten drei Tsunameter in der See vor den Alëuten eine starke Druckveränderung im Wasser. Die Berechnung ergab ein Ankommen der Welle in Hawaii fünfeinhalb Stunden später, die Abgleichung mit der Simulation berechnete allerdings nur einen Tidenhub von 25 Zentimetern. Vom ersten Erdstoß bis zur nicht ausgesprochenen Warnmeldung vergingen knappe zehn Minuten. Es wurden keine Evakuierungsmaßnahmen eingeläutet und tatsächlich maßen die Detektoren im Hafen von Hilo von Hawaii später nur einen maximale Amplitude von rund einem viertel Meter.

Indien plant die Übernahme des US-amerikanischen DART-Systems und will mindestens ein Dutzend Bojen in der bengalischen Bucht und arabischen See aussetzen. Zusammen mit Tidenkontroll- und seismologischen Stationen soll die Vorwarnzeit ebenfalls auf unter 10 Minuten gesenkt werden.

Im Schnitt ereignen sich jährlich 200 Seebeben mit einer Stärke über sechs auf der Richterskala, aber nur 10-20 Prozent dieser Beben regen einen Tsunami an. Während dessen Wellenverlauf auf dem Ozean trotz der hohen Geschwindigkeit von bis zu 900 Stundenkilometern noch relativ einfach zu berechnen ist, nimmt das Vorhersagepotential im flacheren Gewässer enorm ab. Fest steht: Jede Welle verliert in Küstennähe an Geschwindigkeit und gewinnt an Höhe. Und wie bei anderen Wellen variiert auch bei einem Tsunami der Abstand der Wellenkämme je nach Wassertiefe. Auf dem offenen Meer liegt er bei bis zu 700 Kilometern, an der Küste schieben sich die Wellenkämme auf bis zu 10 Kilometern zusammen. Das inzwischen bekannten Phänomen des Rückzugs oder Anstiegs des Wasser am Strand bevor die erste große Welle eintrifft, ist hierauf zurückzuführen: Einige Tsunamis treffen mit dem Wellental, andere mit dem Wellenkamm zuerst ein.

Bei Durchlaufen des künstenahen Schelf-Bereichs werden aus den berechenbaren Tsunami-Wellen im offenen Ozean allerdings zunehmend chaotische Systeme. Das Profil des Meeresgrundes, die Eigenschwingung des Wassers, Ebbe- und Flutstand, Temperaturenschwankungen, Buchten und nicht zuletzt bauliche Maßnahmen im Flachwasser beeinflussen den Verlauf der Wasserfront. Ein Tsunami treibt das Wasser nicht besonders schnell, sondern besonders lange und dabei massenhaft voran; eine einzige Welle dauert hier bis zu einer Stunde. Dreh- und Angelpunkt aller Vorhersagen bleibt die Simulation des Tsunamis im Rechner unter Berücksichtigung der jeweiligen Küstentopographie. Dech: „Entscheidend für die Qualität der Frühwarnung entlang der dicht besiedelten Gebiete ist daher eine präzise Erfassung dieser Daten mit Fächerecholot im küstennahen Meeresbereich sowie an Land mit Hilfe der Fernerkundung“.

Das deutsche Tsunami-Frühwarnsystem unterscheidet sich in mehreren Eigenschaften von DART. Zum einen tragen hier auch die Bojen selbst zur Messung der Wellenhöhe eines vermeintlichen Tsunamis bei. Die GPS-Antenne ist so sensibel, dass auch kleine Amplituden gemessen und von normalen Meeres- und sogar Sturmwellen unterschieden werden sollen. Zum anderen lassen sich die Messstationen auf dem Meeresboden vom Kontrollzentrum in Jakarta direkt ansprechen. So ist nicht nur die Vorgeschichte eines Bebens erfassbar, sondern auch eine Fernwartung und Justierung des Systems möglich. Noch innerhalb diesen Jahres werden die ersten zwei Testeinheiten vom Forschungsschiff „Sonne“ versenkt, welches sich danach der Kartierung der Küste vor Indonesien widmet. Zudem werden auch am Meeresboden Seismometer ausgesetzt, die den Forschern ein deutlich besseres Bild des Seebeben vermitteln sollen.

Bis 2008 werden zehn Bojen ausgesetzt sein, im Ernstfall wird das deutsche System aus nicht nur auf die Messwerte der Meeresboden-Module und Bojen zugreifen können, sondern zudem auf die Daten von bis zu 15 Pegelstationen, die auf der Küste vorgelagerten Inseln installiert werden. Hier wird der Tidenhub der Tsunami-Wellen schon vor dem sogenannten „Run-Up“ auf das Festland gemessen.

Schließlich ist das geplante deutsch-indonesische Frühwarn- und Krisenlagezentrum in Jakarta mit IT-Systemen für die Entscheidungsunterstützung ausgerüstet. Dort laufen die Signale von vier Systemen auf, wo sie mit den Tsunami-Modellen verglichen werden: Seismische Messungen der dann 40 Festlandstationen rund um den indischen Ozean, die Daten der Meeresboden-Plattformen, die der Bojen und die der Tidenhub-Stationen auf den Inseln. Ergibt die Kalkulation eine Gefährdung, können die Verantwortlichen Alarm auslösen.

So interessant für die Zukunft Alarmierungen über das Handy (Cell Broadcasting) auch sind, das „Problem der letzten Meile“ wird gerade in Indonesien mit herkömmlichen Mitteln gelöst werden. Sirenen und Lautsprecher in Strandnähe sind hier die erste Wahl, dazu kommen Warnmeldungen über TV und Radio. Trotz Echtzeitübertragung und hohem technischen Aufwand bleibt ein Problem: Der seebebenaktive Sunda-Bogen liegt so dicht vor der indonesischen Küste, dass eine Vorwarnzeit von etwa 10 Minuten eingehalten werden muss, denn nach zwanzig Minuten läuft die erste große, langsame Flut auf. Ob dies das deutsche System leisten kann müssen die Tests der nächsten Jahre zeigen.

Dr. Jörg Auf dem Hövel

Wissenschaftsjournalist, schreibt u.a. für FAZ und telepolis und lebt als Freier Autor zur Zeit im Alpenvorland. Promovierte über die "Politisierung der Verwaltung", hängt seit Jahren am Netz der Netze, strickt es mit und berichtet über die Wechselwirkung von Technik und Gesellschaft.