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Tsunami-Frühwarnsystem nimmt Formen an

GITEWS-Konsortium legt aktuellen Stand der Entwicklung vor

Das Tsunami-Frühwarnsystem für den Indischen Ozean befindet sich auf einem gutem Weg. Dieses positive Fazit hat jetzt das für die Entwicklung zuständige Konsortium deutscher Geo- und Meereswissenschaftler anlässlich des bevorstehenden dritten Jahrestages der Katastrophe vom 26.12.2004 gezogen.
Tsunami

Tsunami

Wichtige Meilensteine wie die Entwicklung der automatischen Erdbebenauswertesoftware SeisComP3, sowie die Unterwasserkommunikation zur Übertragung der Druckdaten vom Ozeanboden an ein Warnzentrum sind bereits entwickelt. Es liegen aber auch schon Berechnungen von Ozeanmodellen inklusive der Quellmodellierungen vor und stehen in einer Datenbank zur Verfügung. Das System kann deshalb vermutlich Ende 2008 in Betrieb gehen.

System von land-, ozean- und satellitengestützen Instrumenten


Direkt nach der Katastrophe, die seinerzeit nahezu einer Viertelmillion Menschen das Leben kostete, erteilte die Bundesregierung der Helmholtz-Gemeinschaft, vertreten durch das GeoForschungZentrum Potsdam (GFZ) den Auftrag zur Entwicklung eines Tsunami-Frühwarnsystems. Bereits drei Wochen nach der Katastrophe konnte eine Team unter Führung des GFZ das Konzept für GITEWS (German Indonesian Early Warning System for the Indian Ocean) der Bundesregierung vorlegen.

Dieses sieht ein System von land-, ozean- und satellitengestützen Instrumenten vor, das durch Ausbildungs- und Trainingsmaßnahmen unterstützt wird. „Weil das GFZ seit 1992 dieses Gebiet Südasiens geowissenschaftlich erforscht, konnte es seine Resultate dieser Forschung unmittelbar einfließen lassen und schnell reagieren“, erläutert Professor Reinhard Hüttl, Vorstandsvorsitzener des GFZ. „Wir wollen dieses Frühwarnsystem auch in anderen gefährdeten Regionen, etwa im Mittelmeer und im Atlantik, installieren.“


Das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert den Aufbau des Tsunami-Frühwarnsystems für den Indischen Ozean mit 45 Euro aus Mitteln der Bundesregierung in Höhe von 500 Millionen Euro im Rahmen der Flutopferhilfe.

Seismologische Komponenten


Über 90 Prozent aller Tsunamis entstehen durch untermeerische Erdbeben. Das Katastrophenbeben vom Dezember 2004 war mit der Magnitude 9,3 der zweitstärkste bisher gemessene Bruch in der Erdkruste. Eine schnelle und korrekte seismologische Erfassung und Auswertung der Beben ist eine Grundvoraussetzung für das Warnsystem. Eine große Herausforderung sind dabei die störungsfreie Registrierung und genaue Quantifizierung von Starkbeben in der Nähe des Erdbebenherdes.

Mit dem schon bisher installierten Seismometernetz und dem vom GFZ entwickelten Softwaresystem SeisComP3, das im Mai 2007 in Indonesien in den operativen Dienst eingeführt wurde, liegt nun erstmalig ein Werkzeug vor, das auch starke Beben schnell und zuverlässig registriert und auswertet. Seine Kapazität konnte dieses System bereits in mehreren Fällen unter Beweis stellen: so konnte beim Beben von Bengkulu vor Südsumatra am 12. September des Jahres die Magnitude 8,0 und die Lage des Bruchbeginns innerhalb von vier Minuten bestimmt werden. Daraufhin gab der indonesische Erdbebendienst BMG erstmals auf Basis solcher Daten eine Tsunamiwarnung heraus.

SeisComP3 ist mittlerweile auch in einigen anderen Anrainerländern des Indik als Standard etabliert, so beispielsweise beim indischen Tsunami-Warnzentrum. Auch das Tsunami-Warnsystem für das Mittelmeer und den Nordatlantik wird seinen Probebetrieb im Jahre 2008 auf Basis dieser Software aufnehmen. „Mit den softwaretechnischen und methodischen Entwicklungen innerhalb von GITEWS setzen wir neue Standards für die Überwachung von Erdbeben, besonders - aber nicht nur
- für die Tsunamiwarnung“, sagt Winfried Hanka, Projektleiter für das GITEWS-Erdbebenmonitoring am GFZ.

Ozeanographische Komponenten


Allein auf der Basis von seismischen Messungen können Wissenschaftler aber nicht entscheiden, ob ein Tsunami nach einem Erdbeben entstanden ist oder nicht. Daher muss mit ozeanographischen Instrumenten eine direkte Messung eines Tsunamis im Meer erfolgen. Da nicht jedes Erdbeben einen Tsunami erzeugt, dienen die ozeanographischen Messungen auch der extrem wichtigen Aufgabe, eine Entwarnung vor einem Tsunami zu geben.

Dies ist insbesondere in Indonesien wichtig, da starke Erdbeben sehr schnell an der Küste verspürt werden und zu Panikreaktionen führen können. Hier muss so schnell wie eine Warnung auch eine mögliche Entwarnung vor einem Tsunami gegegeben werden können. Dazu werden im GITEWS verschiedene Komponenten eingesetzt.

Bojensysteme


Für den Endausbau des GITEWS sind zehn Bojen vorgesehen, die entlang des Sundabogens vor Indonesien verankert werden. Diese Bojen haben eine Doppelfunktion: sie dienen zum einen als Relaisstation für die Daten, die von den Unterwassereinheiten (OBU - ocean bottom unit) an ein Modem an der Wasseroberfläche gesendet werden. Vom Modem werden die Daten dann über die Satellitenverbindung der Boje an das Warnzentrum übertragen. Zudem sind die Bojen selbst Messgeräte, mit denen der Seegang und meteorologische Daten erfasst werden.

Tsunami-Messboje

Tsunami-Messboje

Das eigentlich Bahnbrechende an diesen Bojen ist jedoch ihre GPS-Funktionalität: mithilfe von GPS-Messungen kann - unabhängig von den Messgeräten am Meeresboden - ebenfalls der Durchgang eines Tsunami gemessen werden. Das ist der wesentliche Fortschritt gegenüber den bisher verwendeten Bojensystemen, wie sie etwa im Pazifischen Ozean verwendet werden.

Durch die Kombination der Unterwasser- und Überwassermessung garantieren die neuen Bojen eine höhere Verfügbarkeit und geringere Ausfallwahrscheinlichkeit. Tilo Schöne, GFZ Potsdam, ist Leiter der Arbeitspakete „GPS-Boje“ und „Küstenpegel“: „Aufbauend auf den Erfahrungen, die mit den zwei in Indonesien bereits vorhanden Testsystemen gemacht wurden, werden derzeit acht weitere Bojensysteme für den Einsatz vorbereitet. Diese werden im Sommer 2008 vor Sumatra und Java installiert und erweitern das Tsunami-Warnsystem um eine wichtige Komponente.“

Unterwassereinheiten OBU - ocean bottom unit


Am Meeresboden abgesetzte Messeinheiten erfassen primär den Wasserdruck mit hoher Genauigkeit, denn dieser ändert sich, wenn eine Tsunamiwelle durchwandert. Dieses ist das Standardverfahren, was auch in anderen Tsunamiwarnsystemen eingesetzt wird. Zusätzlich werden im GITEWS noch spezielle Seismometer eingesetzt, die die Erdbebenwellen auch am Ozeanboden erfassen. Die Herausforderung bei diesem neuen Verfahren ist nicht die Erfassung des Drucks oder der Erdbebenwellen, sondern die online Übertragung der Messdaten vom Ozanboden in mehr als vier Kilometer Tiefe zur Wasseroberfläche.

Erste Versuche mit handelüblich verfügbaren Übertragungsmodems erfüllten die Anforderungen hinsichtlich der notwendigen Bandbreits nicht, denn die akustische Signalübertragung aus mehr als vier Kilometern Tiefe in thermisch und salinar geschichtetem Ozeanwasser ist nicht trivial. Daher wurde parallel zu den anderen GITEWS-Arbeiten gemeinsam mit deutschen KMU's ein neues akustisches Datenübertragungssystem entwickelt. „Das so genannte PACT-Bodendruck-Messsystem (Pressure based Acoustically Coupled Tsunami detector) dient zur Echtzeit-Ermittlung des Meeresspiegelanstiegs im tiefen Ozean und konnte im November 2007 in der Tiefsee vor den Kanarischen Inseln erfolgreich getestet werden,“ so der PACT-Projektleiter Olaf Boebel vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung.

Pegelmessungen


Tsunamis breiten sich in tiefem Wasser mit der Geschwindigkeit von Düsenflugzeugen aus. Erst im flachen Wasser werden sie langsam, türmen sich allerdings in küstennahen Bereichen zu Wellenhöhen von bis zu 30 Metern auf. Deshalb ist es wichtig an geeigneten Standorten, zum Beispiel auf vorgelagerten Inseln einen Tsunami an einem Küstenpegel bereits zu erfassen, bevor die Welle auf das Festland aufläuft.

Das Meer

Das Meer

Im Indischen Ozean wurden im Rahmen des GITEWS-Projektes deshalb bereits sieben Pegelstationen aufgebaut, so dass mittlerweile nicht nur an der Küste Indonesiens, sondern auch in den Anrainerstaaten des Indischen Ozeans verlässliche Pegeldaten zur Verfügung stehen, so beispielsweise in Südafrika (Marian Island), im Jemen (Aden) und im Iran (Chabahar). „Pegelmessungen während eines Tsunamialarms, insbesondere auf den Inseln vor Sumatra, ermöglichen die verlässliche Vorhersage, ob eine signifikante Tsunamiwelle zu erwarten ist und erlauben die Schätzung der maximal möglichen Überflutung für die dicht bevölkerten Gebiete, wie zum Beispiel Padang“, erläutert Schöne.

Simulationen


Tsunami-Simulationen spielen für den gesamten Warnprozess eine wichtige Rolle. Dabei soll aufgrund der eingehenden - nur an wenigen Punkten vorliegenden - Messdaten ein Gesamtbild der Lage berechnet werden. Schon kurze Zeit nach einem Erdbeben sollen so etwa Ankunftszeiten, Wellenhöhen oder Überflutungsbereiche an den betroffenen Küstenabschnitten abgeschätzt werden. In Kombination mit weiteren Daten - wie der Besiedelungsstruktur - ergibt sich daraus ein erstes Lagebild für die Behörden und die Bevölkerung. Da die Vorwarnzeit in Indonesien extrem kurz ist, werden Tausende verschiedener Szenarien im Voraus berechnet. Anhand der gemessenen Daten werden dann passende Szenarien aus einer Datenbank ausgewählt.

Diese Szenarien enthalten dann die benötigten Informationen zu Ankunftszeiten, Wellenhöhen und Risikoeinschätzungen. Die Lagebeurteilung mit Hilfe der Szenarien wird im Verlauf des Ereignisses und mit zunehmend einlaufenden Daten immer weiter verfeinert und stabilisiert.

Die aus der Simulation gewonnene Lagebeurteilung ist auch Grundlage für die Alarmierung weiter entfernter Gebiete, die durch den Tsunami gefährdet werden könnten, wie beispielsweise Indien, Sri Lanka oder die ostafrikanische Küste. „Durch die gleichzeitige Nutzung und Auswertung von allen zum jeweiligen Zeitpunkt verfügbaren Daten werden wir weltweit erstmalig in der Lage sein, ein präzises Lagebild schon nach kurzer Zeit abzugeben. Grundlage für diese Leistung sind die neuartige, auf unstrukturierten Dreiecksgittern basierende Tsunami- Simulations-Software TsunAWI sowie ein innovatives Modell für die Bewegung der Erdkruste, entwickelt am AWI bzw. am GeoForschungsZentrum Potsdam“ stellt Jörn Behrens, Koordinator der GITEWS-Simulation fest. Die Modelle liegen nun vor, derzeit wird mit ihnen die Simulationsdatenbank gefüllt.

Das Warnzentrum


Herzstück des Frühwarnsystems ist das Warnzentrum. Hier laufen alle Sensordaten zusammen, von hier aus werden alle Instrumente kontrolliert und gesteuert und hier erfolgt die Synthese aller Daten mit den vorberechneten Simulationen sowie die Erstellung der Warnmeldung. Diese Aktivitäten werden in einem Entscheidungs- Unterstützungssystem (DSS = Decision Support Centre) zusammengefasst, das auf der Basis der vorliegenden Informationen dem diensthabenden Verantwortlichen einen Überblick über die momentane Situation verschafft und Entscheidungsvorschläge generiert. Dieses System ist konzeptionell und von der Komplexität mit keinem anderen System weltweit vergleichbar. Die Arbeiten zu diesem System am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind bereits weit fortgeschritten, so dass Anfang 2008 ein erster Prototyp in Indonesien installiert wird.

„Letzte Meile“


Die schnellste Warnung nützt nichts, wenn die so genannte „Letzte Meile“ bis zum Strand nicht überbrückt wird. Die in den gefährdeten Gebieten wohnenden Menschen müssen nicht nur rechtzeitig vor einem nahenden Tsunami gewarnt, sondern auch geschult werden, wie sie auf eine Warnmeldung reagieren müssen und sich am schnellsten in Sicherheit bringen können. Japan hat solche Alarmübungen von der Schule bis zum Industriebetrieb als nationales Programm eingeführt, in den Anrainerstaaten des Indischen Ozeans werden diese Maßnahmen erst gerade umgesetzt.

Neben den Schulungen der Bevölkerung gibt es auch akademische Ausbildungs- und Weiterbildungsprogramme, in denen beispielsweise regelmäßig Trainingskurse für die verschiedenen Sensorgruppen oder Risikomodellierungen für Fachexperten und Wissenschaftler durchgeführt werden. Zudem führt die Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) Maßnahmen in drei Pilotregionen zur Stärkung lokaler Katastrophenschutzmechanismen durch, welche vor allem auf die Entwicklung notwendiger institutioneller und organisatorischen Kapazitäten abzielen. Mitarbeiter der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) setzen diese Beratungen auf nationaler Ebene fort.

Die Universität der Vereinten Nationen (UNU) bildet indonesische Nachwuchswissenschaftler in einem Doktorandenprogramm aus, um später den Betrieb und den Ausbau des Frühwarnsystems aus wissenschaftlicher Perspektive zu gewährleisten. „Mit diesem breiten Spektrum an Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen leisten wir einen nachhaltigen Beitrag zur Entwicklung eines Tsunami-Frühwarnsystems für Indonesien und die Anrainerstaaten“, so Professor Torsten Schlurmann, Direktor des Franzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Leibniz- Universität Hannover, der im Auftrag der UNU gemeinsam mit Kollegen der GTZ das Arbeitspaket „Capacity Building“ leitet.

Blick in die Zukunft


Das GITWES wird Ende 2008 technisch aufgebaut sein, wenn - wie bisher - der Zeitplan eingehalten werden kann. „Wir gehen davon aus, dass keine aussergewöhnlichen Ereignisse eintreten“, sagt Projektkoordinator Jörn Lauterjung vom GeoForschungsZentrum. „Ab Anfang 2009 werden wir zusammen mit den indonesischen Partnern das Tsunami-Frühwarnsystem in einer gemeinsamen Betriebsphase operationell führen, um es 2010 vollständig an Indonesien zu übergeben.“

Ein außergewöhnliches Ereignis wie das Katastrophenbeben von 2004 könnte allerdings den Zeitplan umwerfen. Vulnerabilitätsabschätzungen, wie sie im Rahmen des GITEWS jetzt für Indonesien erstellt werden, zeigen, dass man sich vorbereiten muss, es aber auch kann. Vollständigen Schutz kann auch ein perfekt arbeitendes Frühwarnsystem nicht geben - die immer wieder auftretenden Katastrophenbeben zeigen deutlich, welche Urgewalt im System Erde steckt.

„Die Zahl der Opfer zu minimieren, das ist unsere Aufgabe“, meint Lauterjung und fügt ein Beispiel an: „Mehr als acht Stunden nach dem Erdbeben vom 26.12.2004 starben an der afrikanischen Ostküste, über 6000 km vom Ursprungsort des Tsunami entfernt, noch über 300 Menschen. Naturkatastrophen solcher Dimension werden immer Menschenleben fordern, aber die Anzahl dieser Todesopfer hätte mit einem Fühwarnsystem erheblich verringert werden können.“
(idw - GeoForschungsZentrum Potsdam, 19.12.2007 - DLO)
 
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