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Erdbebenwellen
1. Was sind Erdbebenwellen?
- Raumwellen
- Oberflächenwellen
2. Wie und wo entsehen Erdbebenwellen?
3. Nutzen von Erdbebenwellen
4. Was für Schäden richten die Erdbebenwellen an, und wie können diese verhindert werden?
Zu 1.) Erdebenwellen heißen auch seismische Wellen (vom griechischen Wort seismos =
Erschütterung). Seismik ist die Wissenschaft der Erdbeben. Die Erbebenwellen verlaufen in
einer Tiefe von etwa 1 km bis 700 km unter der Erdoberfläche. Bei einem Erdbeben entstehen
vier Arten seismischer Wellen, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen
als da wären:
Raumwellen:
Die P-Wellen (Primärwellen, dies sind die Longitudinalwellen) die sich wie Schallwellen
durch einen Körper, in diesem Fall die Erde ausbreiten. Sie heißen auch Kompressionswellen.
Diese Wellen können sich in festen, flüssigen und gasförmigen Medien ausbreiten. Sie treten
sogar in die Luft über: Geräuscherscheinungen, die von Erdbeben berichtet werden, gehen auf
die P-Wellen zurück. Sie erreichen ein Tiefe von bis zu 5.100 Kilometern. Die Geschwindigkeit der P-Wellen beträgt ca. 5 km/s.
Die S-Wellen (Sekundärwellen, dies sind die Transversalwellen) sind nur rund halb so schnell
wie die P-Wellen, sie heißen auch Scherenwellen. Es sind Wellen, wie die Wellen an einem
Seil oder einer Gitarrensaite. Die S-Wellen bewegen sich ebenfalls durch das Erdinnere,
können sich jedoch nur in festen Medien ausbreiten. Sie laufen bis zu einer Grenzschicht in
ca. 2.900 Kilometern Tiefe.
Des weiteren entsehen bei einem Erdbeben noch Oberflächenwellen:
Die Rayleigh- Wellen benötigen für ihre Schwingungen eine freie Oberfläche, wie die Wellen
auf dem Meer. Ihre Fortpflanzung erfolgt in Ellipsen auf einer vertikalen Ebene. Sie sind nach
dem Physiker John William Rayleigh (1842-1919) benannt und bewirken die vielbeschriebene rollende Bewegung des Untergrundes bei großen Erdbeben. Die Teilchenbewegung bei den, nach dem englischen Physiker Augustus Edward Hough Love benannten
seismischen Oberflächenwellen, erfolgt auf einer horizontalen Fläche im rechten Winkel zur
Fortbewegungsrichtung. Das Gestein wird durch Love-Wellen nicht vertikal versetzt. Da sie
oft über große Amplituden verfügen, richten sie durch horizontale Scherungen des Untergrundes starke Schäden an Gebäuden an.
Oberflächenwellen breiten sich an der Erdoberfläche aus, ihre Amplitude nimmt zur Tiefe hin
rasch ab. Sie treffen nach den Raumwellen ein. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen P- und SWellen lässt sich die Entfernung zum Erdbebenherd berechnen.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Materialen:
P-Wellengeschwindigkeit in
km/s
Dichte in g/cm3
Erdkruste
einige km/s bis 6,7
2,7-3,0
Erdmantel
8,0-13,6
3,3-5,7
äußerer Kern
8,0-11,0
9,4-11,5
Innerer Kern
11,5
11,5-15,0
Zu 2.) Die Erdkruste ist in ein Mosaik von vierzehn großen und zahlreichen kleineren Platten
zerlegt. Die Platten - angetrieben von Konvektionsbewegungen (Zusammenführungsbewegungen) im darunter liegenden Erdmantel - bewegen sich gegeneinander. Im Durchschnitt
erreichen dabei die Geschwindigkeiten wenige Zentimeter im Jahr. Diese Bewegung erfolgt
jedoch nicht reibungsfrei. Die Gesteinspakete werden an viele Stellen gegeneinander gepresst
und Unebenheiten hemmen die Bewegung. Spannungen stauen sich auf, bis das Gestein bricht
und entlang der Erdbebenherd-Fläche aufreißt. Dann kann der Versatz an der Bewegungsfläche auf einen Schlag bis zu einigen Metern betragen. Die bei diesem Aufreißen entstehenden Erschütterungen, nennt man Erdbeben, die Erbebenherde liegen in einer Tiefe von ca. 1
km bis 700 km unter der Erdoberfläche. Diese Verschiebung der Erdplatten ist die Hauptursache für Erdbeben. Es gibt täglich unzählige Erdbeben. Die meisten davon sind jedoch so
schwach, dass man sie nicht spüren kann. Ab und zu jedoch werden sie so stark, dass sie
Schäden anrichten. Es gibt fast jeden Tag Erdbeben mit einer Stärke größer als 5 auf der
Richterskala. Sie konzentrieren sich auf die Orte, an denen Erdkrustenplatten aneinander
grenzen.
Da ein großer Teil der Erdbebenherde unter dem Weltmeer liegt, treten Beben häufig als
Seebeben auf und werden von Schiffen auf offener See als Vertikalstöße verspürt.
Gefährlicher sind aber die seismischen Wogen, auch Tunami genannt, die von Erdbeben
unterseeischer Herde ausgelöst werden. Sie bilden eine Serie von 3 bis 7 Riesenwellen mit
einer Schwingungsdauer von 10 bis 30 Minuten und einer Länge bis zu 100 km. Tunami
durcheilen ganze Ozeane mit einer Geschwindigkeit, die von der Wassertiefe abhängt und z.
B. für 100 m Wassertiefe 31 m/s oder für 1.000 m 99 m/s beträgt. Ihre Höhe ist auf offener
See nur gering, steigert sich aber durch Aufstauungen in geringer Wassertiefe an den Küsten
beträchtlich; hier nimmt die Steilheit der Welle infolge der Reibung am Grund immer mehr
zu, bis eine Wasserwand von 30 bis 40 m Höhe entsteht, die infolge ihrer Geschwindigkeit
große Verwüstungen anrichtet.
Zu 3.) Erdbebenwellen werden jeweils dort reflektiert, wo sich etwas verändert, beispielsweise an einer neu beginnenden Gesteinsschicht. So sind die Erkenntnisse die bis heute über
das Erdinnere vorliegen hauptsächlich aus Analyse von Erdbebenwellen gewonnen worden.
Bei dieser Bestimmung des physikalischen Aufbaus der Erde gehen neben den Laufzeitkurven
und der Amplitudenverteilung von Raumwellen, ebenso die Auswertung der Oberflächenwellen mit in die Ergebnisse ein. Wenn man nun von unvermeidlichen Abweichungen der
physikalischen Parameter, wie Wellengeschwindigkeiten und Dichte, die mit der Tiefe
zusammenhängen, absieht, so lässt sich die Erde entsprechendend dem Geschwindigkeitsverlauf der Erdbebenwellen mit der Tiefe, einteilen. D.h.: Bei etwa 30 Kilometern Tiefe wird
eine starke Veränderung der Geschwindigkeit der Wellen deutlich. Daraus lässt sich
schließen, dass unter der harten äußeren Schale, der Erdkruste, dort der obere Erdmantel
beginnt. In 410 Kilometern Tiefe beginnt wieder etwas Neues. Von hier ab erstreckt sich ein
Bereich im oberen Erdmantel, der Übergangszone genannt wird. Die nächste starke Reflexion
wird bei 700 Kilometern gemessen: Die Übergangszone ist zu Ende, der untere Erdmantel
beginnt.
Zu 4.) Erdbebenwellen können bekanntlich große Schäden anrichten. Das diese Schäden
allerdings auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sind, ist dagegen eine etwas neuere
Erkenntnis. Auch bei einem Erdbeben mit kleinren Amplituden treten nämlich hohe
Beschleunigungswerte auf, die anehrend den Wert der Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)
erreichen. Allerdings verschiebt sich das Maximum des Beschleunigungsspektrums mit
kleiner werdender Amplitude zu immer höheren Frequenzen. Diese richten dann mindestens
ebenso große Schäden an, wie ein Erdbeben mit großen Amplituden.
Als Schutz werden Gebäude leicht gebaut, aber fest, wobei fest nicht starr bedeutet, sondern
bruchsicher bei gleichzeitig hoher Elastizität zur Aufnahme und allmählichen Verschluckung
von Erbebenwellen und windbedingten Belastungen. In jedem Land gibt es sogenannte
Erdbebenschützende Bauvorschriften. Z.B.: In den USA der „Uniform Building Code“ und in
Japan die „Designvorschriften für Antierdbeben - Gebäude“. In Japan gibt es u.a. stockwerksabhängige Lastengrößen bei Gebäuden bis 44m Höhe.