Tsunami-Messung in der Tiefsee

Verankerung der PACT-Bodeneinheit während der Expedition FS Poseidon 360 am 5. November 2007 nördlich der Kanarischen Inseln. Copyright: develogic

Ein neu entwickeltes Bodendruck-Messsystem soll Tsunamis schon kurz nach ihrer Entstehung auf der hohen See erkennen, um Vorwarnzeiten zu optimieren und Fehlalarme zu vermeiden. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe "Marine Messsysteme" des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft leiten das Teilprojekt und haben das Messsystem im November 2007 in der Tiefsee vor den Kanarischen Inseln erfolgreich getestet.

Damit ist ein weiterer Meilenstein bei der Entwicklung des Tsunami-Frühwarnsystems für den Indischen Ozean (GITEWS) erreicht.

Das GITEWS-Projekt wird federführend vom GeoForschungsZentrum Potsdam geleitet. Wissenschaftler am Alfred-Wegener-Institut entwickeln einen Teil der Simulations-Komponente und - in Zusammenarbeit mit den Firmen Optimare und develogic, sowie dem Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM) und der University of Rhode Island - das so genannte PACT-Bodendruck-Messsystem (Pressure based Acoustically Coupled Tsunami detector) zur Echtzeit-Ermittlung des Meeresspiegelanstiegs im tiefen Ozean.

Das deutsche Tsunami-Frühwarnsystem ist einzigartig, da es eine Vielzahl von Informationen verarbeitet, um schnellstmöglich eine umfassende und präzise Lageeinschätzung bereitstellen zu können. Messwerte der Erschütterungen und der horizontalen Verschiebungen des Bodens vor der Küste Indonesiens liefern dabei innerhalb von wenigen Minuten eine klare Vorstellung von der Lage und Stärke eines Seebebens, die im Warnzentrum zur Auswahl von vorab berechneten Simulationen über die mögliche Ausbreitung eines Tsunami dienen. Allerdings löst nicht jedes Erdbeben am Meeresgrund einen Tsunami aus. "Um sich hierüber Klarheit zu verschaffen und um nervenzehrende und kostspielige Fehlalarme zu vermeiden, gibt es nur einen Weg: den Meeresspiegelanstieg direkt zu messen", sagt PACT-Projektleiter Dr. Olaf Boebel vom Alfred-Wegener-Institut.

Die Meeresspiegelmessung muss dabei vor der Küste im tiefen Ozean erfolgen. Dort, bei Wassertiefen von mehreren tausend Metern, ist eine Tsunamiwelle mehrere hundert km/h schnell, aber nur wenige bis einige zehn Zentimeter hoch und um die hundert Kilometer lang. Erst an der Küste oder im Flachwasserbereich türmt sich die Tsunamiwelle zu einer meterhohen Wasserfront auf. Um den geringen Meeresspiegelanstieg des tiefen Ozeans dennoch zuverlässig und präzise feststellen zu können, werden Bodendrucksensoren eingesetzt. Die Druckfühler sind am Meeresboden platziert und können feststellen, ob sich der Meeresspiegel oberhalb der Sensoren ändert. Durch das Gewicht des zusätzlichen Wassers erhöht sich der Druck am Meeresboden dabei geringfügig um wenige tausendstel Prozent, eine minimale Veränderung, die von den bei der Firma Optimare in Bremerhaven gebauten, hochpräzisen PACT-Bodeneinheiten zuverlässig gemessen wird. Druckschwankungen aufgrund der wesentlichen kürzeren, aber auch höheren Seegangswellen mitteln sich dabei auf Grund der Einsatztiefe der Bodendrucksensoren heraus.

Wie aber können die möglicherweise lebenswichtigen Informationen über eine solche Druckänderung vom Meeresboden an das Warnzentrum weitergereicht werden? Genau hier lag eine der großen technischen Herausforderungen des PACT-Projektes, der sich die Firma develogic aus Stuttgart unter Nutzung neuester Technologien annahm. Ähnlich wie bei einem Faxgerät werden die Informationen in einem akustischen Modem in eine Folge von Tönen - dem so genannten Telegramm - umgesetzt und an ein zweites Modem übertragen. Letzteres ist, nahe der Meeresoberfläche, mit einer Boje verbunden, von wo aus die Daten per Satellit an das Warnzentrum weitergeleitet werden.

Aufgabe des PACT-Teilprojektes im GITEWS Gesamtprojekt ist die Neuentwicklung eines zuverlässigen, kompakten und energetisch hocheffizienten Systems, das den Druck am Meeresboden alle 15 Sekunden misst, auswertet und - im Falle eines Tsunami-Ereignisses - die Informationen an das Oberflächenmodem schickt. Ein wichtiger Meilenstein der seit etwa zwei Jahren laufenden Entwicklungsarbeiten ist der vor kurzem abgeschlossene erfolgreiche Test des PACT-Systems nördlich der Kanarischen Inseln an einer vom Zentrum für Marine Umweltwissenschaften ( MARUM, Bremen) bereitgestellten Testverankerung. Dabei wurden Druckdaten über jeweils mehrere Tage hinweg mehrfach aus mehr als 3100 Meter Tiefe an das Oberflächenmodem geschickt. Wichtigstes Ergebnis: Keines der Datentelegramme ging verloren, eine notwendige Voraussetzung für das zuverlässige Funktionieren des Warnsystems.

Das somit erfolgreich getestete System wird nun in die vom GFZ entwickelte Oberflächen-Boje und das gesamte Frühwarnsystem integriert. Weitere Tests im Mittelmeer Anfang nächsten Jahres sollen den Einfluss verschiedener Wetterbedingungen auf die Zuverlässigkeit der Übertragungen untersuchen. "Die kommenden Winterstürme werden uns sicherlich Gelegenheit geben, die Grenzen des Systems kennen zu lernen", so Boebel.

Die Technologiegruppe "Marine Messsysteme" am Alfred-Wegener-Institut besteht seit Januar 2005. Sie setzt sich aus Ozeanographen, Physikern, Biologen und Umweltwissenschaftlern zusammen und ist auf die Entwicklung und Nutzung innovativer Messsysteme für die meereswissenschaftliche Forschung und Umweltschutz spezialisiert.

Quelle: Pressemitteilung Informationsdienst Wissenschaft e.V.