Erdbebenvorhersage Fiktion oder bald Realität?

1. ErdbebenvorhersageFiktion oder bald Realität? Cong-Toan Pham

2. Präsentationsinhalte • Einleitung • Statistische Erdbebenanalyse • Erdbebensimulation • Alternative Indikatoren • Fazit Cong-Toan Pham

3. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren Karte von Beben vom 11. bis 14.März Quelle: http://www.tz-online.de • Tohoku-Erdbeben • 11.März 2011 • 8,9 MW • ca. 130km von Sendai, 32km Tiefe • Tsunami + Reaktorschäden • über 15700 Tote Cong-Toan Pham

4. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Japans Erdbebensicherung • weltweiter Vorreiter für Katastrophenschutz und Erdbebensicherheit • ausgeklügeltes Erdbeben- und Tsunamifrühwarnsystem • strenge Bauvorschriften • regelmäßige Notfallübungen • Frühwarnsystem • Seismometeraufnahme einer Erdbeschleunigung • P-Wellen als Erdbebenindikator energiearmer und schnellste Ausbreitungsgeschwindigkeit • Problem: Warnzeit abhängig vom Abstand zum Hypozentrum und erst nach dem Ereignis Quelle: Joachim Fischer, Erdbebenfrühwarnsystem für Instanbul Cong-Toan Pham

5. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren Weltweite Erdbeben von 1954-2003 • Vorhersage mit Angabe Ort, Zeitpunkt, Stärke • zufällige Erscheinung extremer Ereignisse? • statistische Analyse für Eintrittswahrscheinlichkeit von Erdbeben • 3 Kategorien • Extremwertstatistik • vereinfachte Modelle • Zeitreihenanalyse Frage: Gibt es charakteristische Merkmale und allgemeingültige Prinzipien? Cong-Toan Pham

6. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren Extremwertstatistik Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit und Wiederkehrzeit eines Extremereignisses über aufgenommene Messdaten Bsp.: Ein 100 jährliches Erdbeben hat 1% Wahrscheinlichkeit in irgendeinem Jahr aufzutreten, auch mehrfach und unregelmäßig • Zeitreihenanalyse • Hinweise für ein nicht völlig unregelmäßiges Auftreten starker Beben  Suche nach Periodizität • Aufladezeit von starken Erdbeben •  ungefähre zeitliche Einschätzung Aussage über regionale Seismizität und Wahrscheinlichkeit eines Extremereignisses  Erdbebengefährdungskarten Aber keine Angabe zum Zeitpunkt eines Ereignisses und zugrunde legende Mechanismen Quelle: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html Cong-Toan Pham

7. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Vor- und Nachbebensequenzen • Auftreten von Nach- und Vorbeben zeitlich gemäß einer Potenzverteilung um ein Hauptbeben verteilt, die nach Omori‘s Gesetz beschrieben werden • Na(t)~(t-tM)-p Nachbeben • Nf(t)~(tM-t)-q Vorbeben • Identifizierung seismischer Ruhepausen • Problem: starke Erdbeben können auch ohne Vorbeben auftreten oder ein Schwarm schwacher Beben ohne Hauptbeben, Beobachtung seismischer Ruhepausen schwierig • Vorbeben – dominantes Erdbeben – Nachbeben • Dominantes Erdbeben – Nachbeben • Schwarm kleiner Erdbeben ohne Hauptbeben Fazit: Vorbeben für Vorhersage eingeschränkt tauglich Cong-Toan Pham

8. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Selbstorganisierte Kritikalität(SOC) • Physiker Per Bak stellt These der SOC auf: • „komplexe Systeme im Nichtgleichgewicht neigen dazu in einen kritischen Zustand fernab vom Gleichgewicht zu entwickeln“ • Sandhaufenmodell als SOC • Überschreitung kritischer Steigung verursacht Rutsch • Größe des Ereignisses anhand Anzahl bewegter Körner • Häufigkeitsverteilung der Größenordnung des Rutsches gehorcht einem Potenzgesetz • Allgemein: N(s)=C s-t • Gutenberg-Richter-Gesetz • Gesetzmäßigkeit der Größenverteilung von Erdbeben bestimmter Magnitude in einer bestimmten Region • log10N(M)=a-bM • b zwischen 0,8 und 1,2 • a regionale Seismizität variiert stark Häufigkeitsverteilung San Francisco 1932-1972 Cong-Toan Pham

9. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Feder-Block-Modell • Verschiebung der Plattentektonik verursacht Spannungen, die mit der Zeit zunehmen • Überschreitung eines kritischen Schwellwertes verursacht plötzliche Entladung der Kräfte  Erdbeben  Zyklus des Ladevorgangs beginnt von Neuem • Hooke‘sches Gesetz • F(t) = k(vt- u(t)) • Newtonsches Bewegungsgesetz • F(t) = m u‘‘(t) • Berücksichtigung von Reibungskräften •  Gleitreibung Fd und Haftreibung Fs Zeit Quelle: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html Cong-Toan Pham

10. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Stick-Slip-Motion • Verbesserung des Modells mit mehr Blöcken • Bewegung eines einzelnen Blockes erhöht Kraft auf benachbarte Blöcke, die eventuell eine Kettenreaktion auslöst • Größe des Erdbeben abhängig von der Anzahl der bewegten Blöcke • Untersuchung ob das Modell SOC Verhalten aufweist, speziell Gutenberg-Richtergesetz erfüllt •  Modell zeigt Potenzgesetz-Verteilung aber mit Abweichung zu realen Daten Quelle: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html • Fazit: • Grundmodell zeigt sinnvolle Ansätze, ist aber nicht vollständig • unterschiedlich andere geophysikalische dynamische Prozesse sind noch nicht berücksichtigt • keine Vor- und Nachbebensequenzen • seismische Ruhephase fehlt Cong-Toan Pham

11. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Tiere als Erdbebenvorhersage • auffälliges Verhalten der Tiere unmittelbar vor Erdbeben • Ameisenhügel siedeln auf tektonischen Bruchzonen • empfindlich für CO2-Konzentrationen und Temperaturschwankungen Quelle: http://www.planet-wissen.de • Elefanten sind in der Lage Infraschall mit ihren Füßen wahrzunehmen • Vögel bemerken Schwankungen des Magnetfeldes • Es gilt die Suche nach physikalischen Vorgängen gekoppelt an Vorbeben Quelle: http://www.natur-lexikon.com Cong-Toan Pham

12. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Radon als Erdbebenindikator • Anstieg der Radonkonzentration nahe Oberfläche • Spuren von Uran und Thorium im Gestein, die zu Radon zerfallen • Gesteinsschichten werden rissig und setzen Radon frei • Mysteriöse Lichterscheinungen • Volksglauben als Vorboten von Erdbeben • Vermutung von elektrischen Entladungen unter enormen Druck, ähnlich eines Gewitters nur an Erdoberfläche • Entstehung aber weiterhin umstritten Lichtblitze vor Erdbeben im japanischen Matsushiro 1966 Quelle: Welt.de Radonkonzentration einer Quelle Erdbeben Haicheng (China 1975) Cong-Toan Pham

13. Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren • Haicheng Erdbeben 1975 • erfolgreiche Evakuierung der Stadt Haicheng Februar 1975 vor Erdbeben der Magnitude 7,3 Ms aufgrund Vorläuferphänomene (Tierverhalten, Grundwasserspiegel, Neigungsänderung der Erdoberfläche) • Vorzeichen makroskopisch deutlich genug • erste erfolgreiche Erdbebenvorhersage in der Geschichte • Tangshang Erdbeben 1976 • 28.Juli 1976 trat ein Erdbeben der Stärke 7,8 Ms • unerwartet auf  offiziell 242000 Tote bekannt gegeben • Vorläuferphänomene blieben aus, Informationen unterschätzt oder nicht vermittelt Quelle: http://wiindsk8ter.files.wordpress.com/2011/03/china-erdbeben.jpg Cong-Toan Pham

14. Fazit • Dynamische Vorgänge im Erdinneren noch weitgehend unbekannt • Aufgenommene Messdaten und Statistiken geben lokale seismische Wahrscheinlichkeiten wieder und können einen groben Zeitraum besonderer Gefährdung prognostizieren • Mathematisches Modell in Grundsätzen sinnvoll, aber noch unvollständig ohne Berücksichtigung physikalischer dynamischer Prozesse • Erdbebenindikatoren wie Vorbebensequenzen, Tierverhalten und andere Phänomene entweder physikalisch nicht belegt oder in seltenen Fällen erkennbar Aus heutigem Standpunkt sind langfristige Vorhersagen von Erdbeben nicht realisierbar. Abhilfe bringt die Erfassung und schnelle Vermittlung erdbebenbegleitener Phänomene, auch wenn diese physikalisch noch nicht begründet sind. Cong-Toan Pham

15. Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Cong-Toan Pham

16. Quellenangaben Wiener Zeitung: Artikel „Wie Japan sich vor Erdbeben zu schützen versucht“, 11.3.2011. URL:http://www.wienerzeitung.at/nachrichten/panorama/chronik/26766_Wie-Japan-sich-vor-Erdbeben-zu-schuetzen-versucht.html Rademacher, Horst(Frankfurter Allgemeine): Artikel „Erste Warnmeldung nach neun Minuten“, URL:http://www.faz.net/artikel/C30721/erdbeben-fruehwarnsysteme-erste-warnmeldungen-nach-neun-minuten-30330191.html 3Sat: Artikel „Warnen in kurzer Zeit“, URL:http://www.3sat.de/page/?source=/nano/news/113771/index.html Staempfli, Michael: Japan und Naturgewalten, URL: http://www.staempfli.de/Japan/Erdbeben/erdbeben2.html Fischer, Joachim: Erdbebenfrühwarnsystem für Istanbul, April 2011, URL: http://metrik.informatik.hu-berlin.de/grk-wiki/images/0/09/1104Fischer.pdf Grotelüschen, Frank(Spektrum der Wissenschaft): Artikel „Extrem gewagt“, Januar 2010 URL: http://www.spektrum.de/ Universität Graz: Statistische Simulation von Erdbeben, URL: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html Cong-Toan Pham

17. Quellenangaben Hainzl, Sebastian(Universität Potsdam): Dissertation „Erdbeben und selbstorganisierte Kritizität“, November 1998 Müllenmeister, Hans Jörg: Artikel „Naturphänomene als Erdbebenvorhersage“, 9.5.2011, URL:http://www.goldseitenblog.com/muellenmeister/index.php/2011/05/09/naturphaenomene-als-erdbebenvorhersage Cong-Toan Pham