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Instrumente zur Erdbebenmessung

Vom Drachen- Seismoskop zum „Strong- Motion- Sensor“

Schon von frühester Zeit an haben Menschen versucht, das Phänomen Erdbeben zu verstehen. Erster Schritt in diese Richtung war die Entwicklung von Geräten, die die Erdstöße registrierten und meßbar machten.

Das Drachen-Seismoskop

Der chinesische Geograph und Astronom Chang Heng entwickelte im Jahr 132 n. Chr. eines der ersten Erdbebenmeßinstrumente. Das berühmte Drachen-Seismoskop bestand aus einem etwa zwei Meter großen Metallgefäß, an dem acht Drachen – für die acht wichtigsten Himmelsrichtungen – befestigt waren. In ihren Mäulern hielten sie jeweils eine Metallkugel, die bei den ersten Erdstößen durch einen Mechanismus im Inneren des Gefäßes aus ihrer Halterung gelöst werden konnten.

Die Richtung, aus der das Beben kam, konnte daran abgelesen werden, welcher Drache seine Kugel fallen ließ. Durch die hohe Reibung der einzelnen Bestandteile des Mechanismus kann dieses Seismoskop nicht sehr sensibel für schwache Bebenwellen gewesen sein, vermutlich registrierte es nur Wellen, die von Menschen und Tieren ohnehin wahrgenommen werden konnten.

Seismographen

Den ersten Seismographen, der nicht nur die Ankunft von Bebenwellen registrierte, sondern auch die Bodenerschütterungen in ihrem zeitlichen Verlauf aufzeichnen konnte, entwickelte 1892 der englische Professor für Ingenieurwissenschaften John Milne mit seinen Kollegen James Ewing und Thomas Gray.

Das Prinzip des Gerätes, nachdem auch die modernen Seismographen funktionieren, beruht auf der Trägheit einer aufgehängten Masse: Ein an einem Rahmen frei aufgehängtes Pendel bleibt in seinen Bewegungen hinter denen des Erdbodens zurück und kann genutzt werden, um die relative Bewegung des Bodens bei einem Beben zu registrieren. Die ersten Seismographenmodelle konnten bereits seismische Wellen in nord-südlicher, ost-westlicher und vertikaler Richtung registrieren und auf einer rotierenden Scheibe auftragen. Das große Erdbeben in San Francisco 1906 wurde mit Hilfe eines solchen Ewing-Seismographen aufgezeichnet.

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Da die träge Masse von Pendel oder Feder nicht bei jeder Frequenz gleich sensibel reagiert, sondern je stärker ausschlägt, um so ähnlicher die Wellenfrequenz der Eigenfrequenz des Pendels ist, werden für die Abdeckung eines breiten Wellenbereichs mehrere Seismographen mit jeweils unterschiedlicher Empfindlichkeit benötigt. Observatorien arbeiten daher traditionell mit einer Reihe von Seismographen deren Sensibilitätsstufen zwischen 10-3 und mehr als zehn Hertz liegen.

Die heutigen Seismographen funktionieren noch immer nach dem gleichen Prinzip, die Signale werden aber elektronisch verstärkt, gefiltert, so dass nur noch die seismologisch interessanten Wellenlängen passieren und dann digital aufgezeichnet. Auch heute noch werden mehrere, unterschiedlich sensible Seismographen eingesetzt, um das gesamte Wellenspektrum eines Erdbebens abdecken zu können.

Beschleunigungsmesser

Sollen starke Beben aus der Nähe überwacht werden, sind normale Seismographen ungeeignet, da die Pendel in ihrem Inneren bei diesen starken Erschütterungen überdrehen und sogar zerbrechen können. Nach dem Erdbeben von San Francisco 1906 begann man daher mit der Entwicklung von robusten Geräten, die über Monate oder Jahre unbeaufsichtigt in „Warteposition“ stehenbleiben, und mit dem ersten stärkeren Erdstoß selbständig mit der Aufzeichnung beginnen können.

Im Gegensatz zu Seismographen arbeiten diese „Strong-Motion“ Beschleunigungsmesser nicht mit einem Pendel als Trägheitsmoment, sondern mit Federn, die nicht annähernd so empfindlich auf langsame Bodenbewegungen oder Temperaturänderungen reagieren wie Pendel. Mit ihnen lassen sich die herdnahen Erschütterungen starker Beben aufzeichnen, bei denen die Bodenbeschleunigung fünf bis zwanzig Hertz über der Erdbeschleunigung liegen kann. Die Anzahl der Beschleunigungsmesser stieg seit den sechziger Jahren sprunghaft an, heute sind weltweit rund 5000 Geräte im Einsatz, davon 600 allein in Kalifornien.

Die erste großräumige Anordnung von vernetzten digitalen Strong Motion- Sensoren wurde 1980 an der taiwanesischen Küste eingerichtet. Die als SMART 1 für „Strong Motion Array Taiwan“ bezeichnete Anordnung aus 36 Beschleunigungsmessern in drei Ringen lieferte bis heute mehr als 3000 Beschleunigungsdiagramme von über 50 Beben der Stärken 3,6 bis 7,0. Die Ergebnisse von SMART 1 können sowohl für technische als auch für seismologische Zwecke genutzt werden. Sie erlauben Rückschlüsse auf die Reaktionen von Bauwerken auf eine eintreffende Wellenfront, wie auch genaueren Aufschluß über die geologischen Strukturen am Bebenherd.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Erdbeben
Vorhersagbar oder aus heiterem Himmel?

Plattentektonik und Erdbebenverteilung
Von Kontinenten, Drift und Konvektionsströmen

Intraplattenbeben
Warum auch in Deutschland die Erde beben kann

Erdbebenwellen und ihre Wirkungen
Von Wellen, Schwingungen und Kompressionen

Von Magnituden, Intensitäten und dem seismischen Moment
Die Bestimmung der Erdbebenstärke

Die Beschaffenheit des Untergrunds
Die Beispiele Mexico City und Loma Prieta

Instrumente zur Erdbebenmessung
Vom Drachen- Seismoskop zum „Strong- Motion- Sensor“

Mathematiker bringen Prognosen zum Beben...
Wie genau sind die Berechnungen der Erdbeben-Wahrscheinlichkeit?

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