2 - Schulen
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Seite1/27 Beurteiler: Mag. Prof. OStR. Schwingenschuh Verfasser: Armin Mariacher; 5.c Schuljahr: 2004/05 © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite2/27 Literaturverzeichnis: 1. Tornados: ......................................... 3 1.1. Die Entstehung eines Tornados .............................................. 3 1.2. Lebensdauer und Geschwindigkeiten ..................................... 4 1.3. Fujita-Tornado-Skala .............................................................. 5 1.4. Wie häufig sind starke Tornados? .......................................... 7 1.5. Funktionsweise eines Tornados .............................................. 8 1.5.1. Wie funktioniert ein Tornado? ......................................... 8 1.5.2. Wie erzeugt ein Tornado Energie wie ein Dynamo? ....... 9 1.6. Tornadojagd .......................................................................... 10 1.7. Probleme der Tornadovorhersage......................................... 10 1.8. Auswirkungen und Krisengebiete ........................................ 11 2. Erdbeben: .................................................. 12 2.1. Die Entstehung: .................................................................... 12 2.2. Seismische Wellen ................................................................ 13 2.3. Verwerfungsarten ................................................................. 15 2.4. Richterskala .......................................................................... 16 3. Tsunamis: ................................................... 20 3.1. Entstehung von Tsunamis..................................................... 21 3.2. Ausbreitung von Tsunamis ................................................... 21 3.3. Der „Landgang“ .................................................................... 23 3.4. Frühwarnsystem für Tsunamis ............................................. 25 4. Bildernachweis: ......................................... 26 5. Quellennachweis:....................................... 27 © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite3/27 1. Tornados: Abb.1 Tornados kommen am häufigsten in der berühmten "Tornado Alley (USA)" vor, gekennzeichnet als helleres Gebiet auf der Karte.1 Die meisten und auch die kräftigsten Tornados entstehen hier im amerikanischen Mittelwesten zwischen den Rocky Mountains und den Appalachen, vorwiegend in den Monaten April bis Juli.2 Folgende Bedingung muss erfüllt werden, um einen Tornado hervorzurufen: Feucht - warme Luft ist gefangen unter einer Luftschicht bestehend aus kalter, trockener Luft. Dazwischen liegt eine trennende Luftschicht mit trockener, warmer Luft. Diese Konstellation nennt man Inversion. 1.1. Die Entstehung eines Tornados Die Kaltluft schiebt sich über die Warmluft, da aber warme Luft eine kleinere Dichte hat und nach oben strömt, bilden sich Aufwindschlote. Das sind Warmluftsäulen, die nach oben strömen, bis sie in einer Gewitterwolke enden. In diesen Aufwindschloten findet ein Kondensationsprozess statt. 1 Online im Internet: URL: http://home.pages.at/haralds/geo/tornado.htm, Stand: 22.03.05; 2 Online im Internet: URL: http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/tornado.html, Stand: 01.03.2005; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite4/27 Abb.2 Durch Kondensationserscheinungen, die auf Grund des geringen Drucks im Wirbel entstehen, wird der Schlauch sichtbar. Diese Kondensation sorgt auch für die starken Gewittererscheinungen bei den Tornados. Durch angesaugtes Material vom Boden färbt sich der Schlauch meistens schwarz. Jedoch entstehen Tornados nicht nur auf dem Land, sondern auch auf dem Wasser, diese so genannten Windhosen, sie sind aber nicht so gefährlich.3 1.2. Lebensdauer und Geschwindigkeiten Die Lebensdauer eines Tornados beträgt zwischen wenigen Sekunden bis hin zu über eine Stunde, durchschnittlich liegt sie unter 10 Minuten. Die Vorwärtsbewegung eines Tornados beträgt bis zu 50 km/h, die interne Rotationsgeschwindigkeit des Windes ist jedoch wesentlich höher. Diese Rotationsgeschwindigkeit ist für die verheerenden Verwüstungen verantwortlich, die ein Tornado hinterlassen kann. Die höchste je registrierte Windgeschwindigkeit innerhalb eines Tornados wurde am 3. Mai 1999 bei 3 Online im Internet: URL: http://www.ping.de/schule/pg-herne/p-wetter/tornado/ursache.htm, Stand: 01.03.2005; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite5/27 Bridge Creek, Oklahoma (USA) mit einem Doppler-Radar bestimmt. Mit 510 km/h lag sie am oberen Ende der Klasse F5 der Fujita-Tornado-Skala und ist damit die höchste je gemessene Windgeschwindigkeit auf der Erdoberfläche überhaupt.4 Der Rüssel umfasst nur einige hundert Meter bis einen Kilometer. In diesem engen Bereich erreicht der Aufwind jedoch Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 160 km/h, und die Luft rotiert mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 500 km/h um das Wirbelzentrum herum. Tornados können auch in Mitteleuropa entstehen, jedoch sind hier selten die Bedingungen zur Bildung eines Tornados erfüllt. Aber es sind tatsächlich Fälle von Tromben oder Wasserhosen in Mitteleuropa dokumentiert. 5 1.3. Fujita-Tornado-Skala Die Fujita-Tornado-Skala wurde 1971 von Dr. Tetsuya Theodore Fujita entwickelt. Sie dient der Schadensklassifikation für Starkwinderscheinungen wie Tornados. Die F-Klasse ist eine 12 Stufen umfassende mathematische Interpolation zwischen der Beaufort-Skala und der Schallgeschwindigkeit (Mach 1). Die Geschwindigkeit v kann als Funktion des Fujita-Skalenwertes F wie folgt dargestellt werden: zwischen F und der Beaufort-Windstärke B besteht damit folgender empirischer Zusammenhang: 4 Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Tornado, Stand: 01.03.2005; 5 Online im Internet: URL: http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/tornado.html, Stand: 01.03.2005; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite6/27 Leider ist die Klassifikation anhand der Windstärken nur theoretisch, da bisher niemand die Windstärke in einem Tornado sicher gemessen hat. Aufgrund dessen werden Tornados nach den Schäden, die sie verursachen, beurteilt. Es kommt immer wieder vor, dass erfahrene Meteorologen anhand der Schäden verschiedene F-Klassen für den gleichen Tornado bestimmen. Die Übertragung der F-Klasse auf Europa ist ein weiteres Problem, da sich die europäische Bauweise von Häusern und Größe von Wohnmobilen erheblich von der amerikanischen unterscheidet. F0 wurde eingeführt um Tornados unterhalb von Bft. 11 zu klassifizieren <=117 km/h leichte Schäden an Schornsteinen, abgebrochene Äste und Baumkronen, flach wurzelnde Bäume entwurzelt, Plakatwände umgeworfen. F1 117180 km/h Wellblech oder Dachziegel abgehoben und Wohnmobile werden umgeworfen, fahrende PKW werden verschoben. F2 180- Dächer werden als Ganzes abgedeckt, Wohnmobile werden vollständig 252 zerstört, große Bäume werden entwurzelt, leichte Gegenstände werden km/h zu gefährlichen Projektilen. F3 252333 km/h Dächer und leichte Wände werden abgetragen, Züge entgleisen, Wald wird großteils entwurzelt, LKW werden umgeworfen oder verschoben. F4 333- Holzhäuser mit schwacher Verankerung werden verschoben, PKW 419 werden umgeworfen, schwere Gegenstände werden zu gefährlichen km/h Projektilen. © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite7/27 F5 >419 Holzhäuser werden von ihren Fundamenten gerissen, weit verschoben km/h und zerlegt. F6 - F12 Theoretische Werte, welche bisher nicht beobachtet wurden. 6 1.4. Wie häufig sind starke Tornados? Art Anteil an Anteil der an Lebensdauer Windgeschwindigkeit Todesopfern Gesamtzahl Schwache 69 % aller weniger als 5 eine bis zehn weniger als 110 mp/h Tornados Tornados % Minuten Schwere 29 % fast 30 % meist Tornados 20 110 - 205 mp/h Minuten oder länger verheerende selten, nur 2 70 % aller kann Tornados % Opfer als mehr mehr als 205 mp/h eine Stunde anhalten 7 6 Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Fujita-Tornado-Skala, Stand: 01.03.2005; 7 Online im Internet: URL: http://home.arcor.de/wetterwissen/Tornados/body_tornados.html, Stand: 05.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite8/27 1.5. Funktionsweise eines Tornados 1.5.1. Wie funktioniert ein Tornado? 1. Heiß - feuchte Luft ist unter kalter trockener Luft gefangen. 2. Aus einem nicht bekannten Grund, wird der "Deckel" (eine Luftschicht bestehend aus warmer - trockener Luft) gestört. Diese Störung kann durch Verwirbelungen in der obersten Schicht der Atmosphäre oder durch eine Windfront verursacht werden. 3. Sobald die unterste Luftschicht nach oben steigt durch den geringeren Luftdruck (je höher die Luftschicht, desto geringer wird der Luftdruck), kühlt die aufsteigende Luft ab. Es ist möglich, dass die Abkühlung zur Kondensation der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit führt. (Definition). 4. Durch die Kondensation wird latente Hitze abgegeben, diese Hitze heizt die umgebende Luft an und diese steigt dann umso schneller auf. Nun haben sich die Wolken zu einem Gewitter geformt. Winde in den höheren Luftschichten erzeugen einen Druck von oben in Form eines Ambosses. 5. Das Gewitter kann sich in Form von Regen und / oder Hagel entladen. Es kann daraus aber auch ein Tornado entstehen. 6. Das Zusammenspiel der Winde in den verschiedenen Höhen, der unterschiedlichen Feuchtigkeit der Luft und der Temperaturen verursachen Regen, Blitze, Luftverwirbelungen und eine Verstärkung der rotierenden Aufwinde, den so genannten Zyklonen. Bodennahe Winde verstärken die Rotation. Zyklonen drehen sich in der nördlichen Hemisphäre gegen den Uhrzeigersinn. 7. Ein Tornado kann unter einem Zyklon entstehen. Wenn sich die rotierende Luftsäule verengt, erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit und das obere Ende des Tornados steigt höher in die Luft. © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite9/27 1.5.2. Wie erzeugt ein Tornado Energie wie ein Dynamo? Latente Hitze entsteht durch die Kondensation der aufsteigenden warmen Luft und der Wasserdampf kondensiert zu Wassertropfen (Form potentieller Energie). Die latente Hitze ist die Energie, die das ursprünglich flüssige Wasser in Wasserdampf verwandelt hat. Latente Hitze ist die am häufigsten auftretende und stärkste Energiequelle eines Gewitters. Die entstandene latente Hitze erwärmt die Umgebungsluft und sorgt durch ein beschleunigtes Aufsteigen tiefer liegender Luft für die Windgeschwindigkeiten, die für die Entstehung eines Tornados notwendig sind. Die Abgabe der latenten Hitze sorgt auch für Unterschiede bezüglich des Luftdrucks (andere Form potentieller Energie). Diese potentielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt in Form einer schnelleren Windgeschwindigkeit. Die ultimative Quelle von Tornados ist die Sonne (kinetische Energie). Genauer gesagt wird die Energie der auf die Erde treffenden Strahlung in thermische Energie umgewandelt (z.B.: Verdampfung des Wassers). Thermale Energie wird zwischen den einzelnen Winden in einem Gewitter hin- und hergeschoben. Abschließend noch die elektrische Energie, die sich zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen entladen, was Blitze zwischen den Wolken und von Wolken zur Erde verursachen. Elektrische Energie ist nicht notwendig, um einen Tornado entstehen zu lassen, aber sie zieht Aufmerksamkeit auf sich! Ein Tornado, der eine Windgeschwindigkeit von 300 km/h hat, gibt ungefähr eine Milliarde Watt in Form kinetischer Energie ab - entspricht dem Output zweier Nuklearkraftwerke. Große orkanartige Gewitterstürme aus denen Tornados entstehen können, geben latente Hitze in der Stärke von mehreren Trillionen Watt ab - 40,000 Mal stärker als ein einzelner Wirbelwind. © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite10/27 1.6. Tornadojagd Jagd auf Tornados? Der einzige Weg, um genaueste Informationen zu erhalten, ist es so nah wie möglich an einen Tornado heranzukommen und in mit eigenen Augen zu betrachten. Um die Jagd auf Tornados zu gewährleisten, braucht man ein Netzwerk bestehend aus Autos, Sensoren, Messgeräten und Funkgeräten und genügend Leute, die lange Stunden ausharren müssen, um die Möglichkeit zu erhalten, einen Tornado zu erspähen. 1.7. Probleme der Tornadovorhersage Ungenaue Vorhersagen können folgende Probleme verursachen: Massenhysterie, falls eine Warnung ignoriert wird verlorene Zeit in Notunterkünften während eines falschen Alarms Tornados sind schwer vorherzusagen. Starke Gewitter, die einen Tornado produzieren sollten, ziehen wieder ab. Kleine Stürme verursachen nicht erwartete Tornados. Zurück zur Vorhersage: Es ist schlimmer als man bis vor kurzem noch gedacht hat: Tornados brauchen nur 5 - 10 Minuten, um sich zu entwickeln. Früher dachte man sie bräuchten 20 - 30 Minuten, um sich zu entwickeln. Das verkürzt die Vorwarnzeit, da ein Tornado ja erst ausgemacht werden kann, wenn er sich auszubilden beginnt! Weiters kann es vorkommen, dass sich Tornados in kleinen Gewittern ausbilden können, sich auf ein kleines Gebiet beschränken und so nicht einmal 8 von den Wetterstationen wahrgenommen werden können. Online im Internet: URL: http://home.pages.at/haralds/geo/vorher.htm, Stand: 22.03.05 © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 8 Seite11/27 1.8. Auswirkungen und Krisengebiete Ein Tornado kündigt sich mit einem lauten donnernden Grollen an. Neben den ungeheueren Drehgeschwindigkeiten führt der extreme Unterdruck, der im Inneren des Tornados herrscht zu den meisten Verwüstungen. Durch den Unterdruck zerbersten Häuser oder sie werden durch die hohen Drehgeschwindigkeiten fortgerissen. Abb.3 Wie man sehen kann, gibt es auch Tornados in Australien, Asien, Afrika, Südamerika und auch hier bei uns in Europa, etwa 10 pro Jahr (sie werden Windhosen oder auch Tromben genannt). Die Anzahl der jährlich auftretenden Tornados kann jedoch von Jahr zu Jahr stark variieren. 9 9 Online im Internet: URL: http://www.ping.de/schule/pg-herne/p-wetter/tornado/krisen.htm; Stand: 01.03.2005; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite12/27 2. Erdbeben: 2.1. Die Entstehung: Erdbeben entstehen meist durch Reibung der Kontinentalplatten an Stellen, wo Platten sich aufeinander zu oder aneinander bewegen Beben). vorbei (tektonische Weniger häufig sind Erdbeben die durch Bewegung von Magma in der Umgebung Vulkanen Erdbeben von auftreten. können auch Abb.4 http://sdac.hannover.bgr.de/web/images/world_yea r.gif im Bergbau entstehen (Gebirgsschlag). unterirdische Hohlräume beispielsweise durch einstürzende Vor tektonischen Beben entstehen gewaltige Spannungen in der Erdkruste, wenn sich die Platten bei ihrer Bewegung ineinander verhaken. Ist die Scherfestigkeit der Gesteine überschritten, entladen sich dann plötzlich diese Spannungen durch ruckartige Bewegungen der Erdkruste. Die dabei freigesetzte Energie kann die einer Wasserstoffbombe um das hundertfache übertreffen. Die Kruste kann sich horizontal und vertikal bewegen, wobei vor allem die horizontale Bewegung für Schäden an Gebäuden verantwortlich ist. Bei der Katastrophe von San Francisco im Jahr 1906 machte der Boden binnen Sekunden einen horizontalen Sprung von über vier Metern. An manchen Stellen entstehen durch Erdbeben Risse in der Erdoberfläche, so genannte Erdbebenspalten. Erdbeben erzeugen Erdbebenwellen, die sich über die ganze Erde ausbreiten und von Seismographen überall auf der Erde aufgezeichnet werden können. Durch Auswertung der Stärke und Laufzeiten der Wellen kann nicht nur die genaue Position des Erdbebenherds bestimmt werden, sondern es werden auch Erkenntnisse über das Erdinnere gewonnen. © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite13/27 Durch unterseeische Erdbeben, bei der Eruption ozeanischer Vulkane oder durch unterseeische Erdrutsche, können so genannte Tsunamis ausgelöst werden. Durch die plötzliche Verlagerung großer Teile des Ozeanbodens entstehen Wellen, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 800 Kilometer pro Stunde fortbewegen. Auf dem offenen Meer sind Tsunamis kaum wahrnehmbar, gelangt die Welle jedoch in flacheres Wasser kann sich der Wellenberg auf über 20 Meter Höhe auftürmen.10 2.2. Seismische Wellen Es gibt mehrere Arten seismischer Wellen, welche sich durch ihre Ausbreitungseigenschaften unterscheiden. Die beiden Haupttypen sind Raumwellen und Oberflächenwellen. Raumwellen können durch das Innere der Erde laufen, Oberflächenwellen sind an die Erdoberfläche gebunden und breiten sich ähnlich wie Wellen in einem Teich aus, in den man einen Stein wirft. Erdbeben erzeugen sowohl Raumwellen als auch Oberflächenwellen. Raumwellen Die erste Sorte von Raumwellen sind die P-Wellen oder Primärwellen. Sie sind die schnellste Art seismischer Wellen, und können sich in festen Gesteinen, aber auch in Flüssigkeiten wie Wasser oder den quasi flüssigen Teilen des Erdinneren ausbreiten. Wie bei Schallwellen in der Luft werden hier die Teilchen im Boden geschoben und gezogen, wobei die Bewegung in Ausbreitungsrichtung der Welle erfolgt. Manche Tiere sind in der Lage, PWellen zu hören, Menschen hingegen fühlen normalerweise nur die Erschütterungen. 10 Online im Internet: URL: http://www.erdbeben.ch/wie-entstehen-erdbeben.php?page=1; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite14/27 Die zweite Art von Raumwellen sind die S-Wellen oder Scherwellen. Diese laufen langsamer als P-Wellen und sind die zweiten Wellen, die bei einem Erdbeben eintreffen. S-Wellen können sich nur in festen Materialien ausbreiten, nicht in Flüssigkeiten. Diese Wellen bewegen den Boden quer zur Ausbreitungsrichtung. Oberflächenwellen Eine Art der Oberflächenwellen sind die Love-Wellen, benannt nach dem Britischen Mathematiker A.E.H. Love, der 1911 als erster ein mathematisches Modell für die Ausbreitung dieser Wellen aufstellte. Sie sind die schnellsten Oberflächenwellen, breiten sich aber langsamer als die S-Wellen aus. Die Bodenbewegung erfolgt in horizontaler Richtung hin und her. Die zweite wichtige Art von Oberflächenwellen sind die Rayleigh-Wellen, benannt nach Lord Rayleigh, der 1855 die Existenz dieser Wellen mathematisch voraussagte, noch bevor sie tatsächlich beobachtet wurden. Bei Rayleigh-Wellen rollt der Boden in einer elliptischen Bewegung ähnlich wie Meereswellen (siehe Bild). Dieses Rollen bewegt den Boden sowohl rauf und runter als auch hin und her in Ausbreitungsrichtung der Welle. Die meisten Erschütterungen, die bei einem Erdbeben gespürt werden, sind in der Regel Rayleigh-Wellen, deren Amplituden viel größer als die der übrigen Wellenarten werden können. 11 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen ist material- und dichteabhängig: 12 P-Wellengeschwindigkeit in km/s 11 Dichte in g/cm3 Online im Internet: URL: http://www.seismo.uni-koeln.de/edu/wellen.htm; Stand: 30.03.05; 12 Online im Internet: URL: http://www.iaag.geo.uni-muenchen.de/sammlung/Bebenallg.html; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite15/27 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 2.3. Verwerfungsarten Abschiebungen sind Risse bei denen ein Gesteinsblock nach unten rutscht und sich von dem anderen wegbewegt. Abschiebungen existieren meist in Gegenden, in denen eine Platte langsam zerrissen wird oder wo zwei Platten auseinanderdriften. Horizontalverschiebungen sind Verwerfungen bei denen zwei Gesteinsblöcke horizontal aneinander vorbeigleiten. Bekannte Beispiele sind die St. Andreas Verwerfung in Kalifornien und die Nord-Anatolische Verwerfung in der Türkei. Überschiebungen sind Verwerfungen bei denen ein Block auf einen anderen aufgleitet. Sie kommen meist in Gegenden vor wo zwei Platten gegeneinander geschoben werden. 13 13 Online im Internet: URL: http://www.seismo.uni-koeln.de/edu/tekt.htm; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite16/27 2.4. Richterskala Mit der internationalen Richterskala kann die Stärke eines Erdbebens mit Hilfe von Instrumenten einheitlich bestimmt werden. Der angegebene Wert (die Magnitude = Größenklasse) gilt dabei als Maß für die Bodenbewegung im Hypozentrum (bzw. für die freigesetzte seismische Energie in einem bestimmten Frequenzbereich). Ein Punkt mehr auf der Skala bedeutet einen etwa zehnfach höheren Ausschlag und die 32-fache Energiefreisetzung (logarithmischer Anstieg). Eine Stärke (Magnitude) von 2 oder weniger wird als Mikroerdbeben bezeichnet, da es von Menschen oft nicht wahrgenommen werden kann und nur von lokalen Seismographen erfasst wird. Beben mit einer Stärke von etwa 4,5 und höher sind stark genug, um von Seismographen auf der ganzen Welt erfasst zu werden. Allerdings muss die Stärke über 5 liegen, um als mäßiges Erdbeben angesehen zu werden. Aufgrund ihrer Definition ist die Richterskala nach oben theoretisch unbegrenzt, die physischen Eigenschaften der Erdkruste machen ein Auftreten von Erdbeben der Stärke 9,5 oder höher nahezu unmöglich, da das Gestein nicht genug Energie speichern kann und sich vor Erreichen dieser Stärke entlädt. Die Platten zerbröseln sozusagen. Das stärkste Erdbeben seit der Einführung der Richterskala ereignete sich 1960 im Pazifischen Ozean vor der Küste Chiles: Es wurde ursprünglich mit 8,6 bewertet, später aber dann von verschiedenen Institutionen (einschließlich der US Geological Survey) auf 9,5 aufgewertet. Ein mit 9,2 ähnlich starkes Erdbeben ereignete sich vier Jahre später im März 1964 im Prince William Sound in Alaska. Das letzte 9,0+ Beben ereignete sich am 26. Dezember 2004 vor Sumatra. Die Richterskala wurde von Charles Francis Richter und Benno Gutenberg am California Institute of Technology 1935 als mathematisches Hilfsmittel zum Vergleich der Stärke von Erdbeben entwickelt und anfänglich als ML-Skala (Magnitude Local) bezeichnet. © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite17/27 Für die Beschreibung der Stärke und Zerstörungskraft eines Erdbebens wird hingegen häufig die modifizierte und weiterentwickelte Mercalliskala des Italieners Giuseppe Mercalli (1850-1914) verwendet. Auf der so genannten MSK-Skala (Medvedev-Sponheuer-Karnik-Skala) wird die Stärke eines Bebens in 12 Stärkegraden angegeben. Die Abstufung orientiert sich sowohl an subjektiven wie an objektiven Kriterien. Richter- und Mercalli-Erdbeben-Skala Stärke Stärke nach nach Energie Wirkung I Beben pro Tonnen TNT Richter Mercalli 0 bis 1,9 Zahl von nur durch Instrumente registrierbar Joule Jahr 0,001–0,7 (4..4000) 106 Große Zahl nur von sehr wenigen, 2 bis 2,9 II ruhenden Menschen spürbar; freihängende Pendel 1–22 (4..90) 109 300.000 30–700 (0,1..3) 1012 49.000 (4..90) 1012 6.200 schwingen leicht nur von wenigen Menschen wahrgenommene Schwingungen; Erschütterung 3 bis 3,9 III vergleichbar einem vorbeifahrenden Lastwagen; leises Flirren aneinander stehender Gläser wird von den meisten 4 bis 4,9 IV zu V Menschen bemerkt; freies (1–22) 103 Pendel schwingt deutlich; (Kleine Gläser und Teller klappern, Kernwaffe) Fensterläden schwingen; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite18/27 geringste Schäden. von allen Menschen mit Schrecken wahrgenommen; viele Menschen verlassen ihre 5 bis 5,9 VI Häuser; Schornsteine können einstürzen; Möbel bewegen sich; einzelne Risse im Putz; (30–700) 103 (0,1..3) 1015 800 (4..90) 1015 120 (0,1..3) 1018 18 (mittlere Kernwaffe) es besteht die Gefahr von Verletzungen wird von allen betroffenen Menschen mit großem Schrecken erlebt; teilweise Panik möglich; einzelne Schocks treten auf; Menschen 6 bis 6,9 VII bis verlassen rasch ihre Häuser; IX Gebäude können erhebliche Beschädigungen erleiden; es (1–22) 106 (große Kernwaffe) kann zu Einstürzen kommen; es gibt oft Verletzte; es besteht Gefahr für Leib und Leben; an Küsten Flutwellen möglich. weit verbreitete Panik; Menschen versuchen in Panik ins Freie zu kommen; akute Lebensgefahr in Gebäuden; 7 bis 7,9 (30–700) X bis nur wenige Gebäude bleiben 106 XI stehen; Spalten im Boden (Meteorit reißen auf; es gibt Tote und 100–200 m) Verletzte; Wasser- und Gasleitungen brechen in großen Mengen; teilweise © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite19/27 katastrophale Auswirkungen; an Küsten vernichtende Flutwellen möglich. Verwüstung; alle Gebäude unbewohnbar; akute Lebensgefahr innerhalb und 8 bis 8,9 XII außerhalb von Gebäuden; flächendeckende Zerstörungen; an Küsten (1–22) 109 (Meteorit (4..90) 1018 250–700 m) alle 5 Jahre ein Beben katastrophale, bis zu 40 Meter hohe Flutwellen möglich. Große Katastrophe; Zerstörungen wie zuvor und zusätzlich: lokale Erdschollen verschieben sich; Stellenweise "völlige Vernichtung des Lebens". Eventuell große 9,0 und darüber - Verschiebungen der unbekannt; Kontinentalplatten. 10er bis "Verschwinden, Erscheinen - - 100er a oder Verschieben" von Zyklen Landesteilen / Inseln. vermutet Eventuell Verschiebung in der Erdnutation. Eventuell Geschwindigkeitsveränderung der Erdrotation. Eventuell Bildung neuer Subduktionszonen. © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite20/27 Der logarithmische Zusammenhang zwischen Energie und Magnitude lässt sich näherungsweise zusammenfassen mit wobei M die Magnitude und W die äquivalente (explosive) Energie in Tonnen TNT ist.14 3. Tsunamis: Tsunami bedeutet "Hafenwelle" auf Japanisch. Wenn Fischer von der See heimkehrten und ihre Dörfer von einer Riesenwoge verwüstet vorfanden, glaubten sie, das Ereignis hätte nur in ihrem Hafen stattgefunden - denn auf dem offenen Meer hatten sie nichts gespürt. Der Begriff ist - wörtlich genommen - irreführend, da es sich bei einem Tsunami um ein System handelt, das ganze Ozeane betrifft.15 Ein Tsunami ist eine seismische Meereswoge, die überwiegend durch Erdbeben auf dem Meeresgrund (Seebeben) ausgelöst wird. Sie breitet sich mit hohen Geschwindigkeiten (von 500 bis 1.000 km/h) über Entfernungen von bis zu 20.000 km aus und kann in Ufernähe einer Tiefseesteilküste auf eine Höhe von etwa 50 Meter ansteigen. Die Geschwindigkeit eines Tsunamis hängt von der Meerestiefe ab; je tiefer das Meer, desto schneller und je flacher, desto langsamer ist der Tsunami. Seine Höchstgeschwindigkeit erreicht er bei einer Meerestiefe von etwa 6.000 Metern. Wenn der Küste eine Inselkette oder ein Korallenriff vorgelagert ist, bricht die Welle schon weit draußen auf dem Meer. Starke Tsunamis können weiträumige katastrophale Schäden verursachen und ganze Küstenstriche verwüsten. Eine solche Naturkatastrophe traf beispielsweise am 26. Dezember 2004 14 Anrainerstaaten des Indischen 14 15 Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Richterskala; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL: http://www.quarks.de/wellen/03.htm; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite21/27 Ozeans. Bei diesem Unglück starben nach neuesten Schätzungen mehr als 280.000 Menschen; etwa zehn Millionen Menschen wurden obdachlos. 3.1. Entstehung von Tsunamis Etwa 97% aller Tsunamis werden durch Seebeben verursacht, die restlichen entstehen durch die abrupte Verdrängung großer Wassermassen bedingt durch Vulkanausbrüche, küstennahe Bergstürze, Unterwasserlawinen oder Meteoriteneinschläge. Auch Nuklearexplosionen können Tsunamis auslösen. Tsunamis treten am häufigsten im Pazifik auf: Am Rand des Stillen Ozeans, in der Subduktionszone des Pazifischen Feuerrings, schieben sich tektonische Platten der Erdkruste (Lithosphäre) übereinander, wodurch Vulkanismus, Seeund Erdbeben verursacht werden. Ein Seebeben kann nur dann einen signifikanten Tsunami verursachen, wenn alle drei folgenden Bedingungen gegeben sind: es eine Magnitude von 7 oder mehr auf der Richterskala erreicht, sein Hypozentrum nahe der Erdoberfläche am Meeresgrund liegt und eine senkrechte Erdbewegung am Meeresboden enthält, so dass darüber eine große Wassersäule entstehen kann.16 3.2. Ausbreitung von Tsunamis Tsunamis unterscheiden sich grundlegend von Wellen, die durch Stürme entstehen, denn bei diesen kann das Wasser zwar unter außerordentlichen Bedingungen bis zu 30 Meter hoch aufgeworfen werden, die tieferen Wasserschichten bleiben dabei jedoch unbewegt. Winderzeugte Wellen erreichen Geschwindigkeiten zwischen 8 bis 100 km/h bei Wellenlängen zwischen 100 bis 200 Meter und Wellenperioden - die Zeit, die vergeht, in der zwei Wellenberge denselben Punkt passieren - von fünf bis zwanzig Sekunden. 16 Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Tsunami; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite22/27 Bei einem Tsunami bewegt sich dagegen das gesamte Wasservolumen, also die gesamte Wassersäule vom Meeresboden bis zur Meeresoberfläche. Die Wellenhöhe (Amplitude) hängt vom Energiegehalt des Tsunamis und der Wassertiefe ab. Auf dem offenen Ozean beträgt sie selten mehr als einige Dezimeter. Die Wellenlänge, also die Entfernung von einem Wellenberg zum nächsten, liegt zwischen 100 bis 500 km, die Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen 800 bis 1100 km/h bei Wellenperioden zwischen zehn Minuten und zwei Stunden. Der Wasserspiegel wird somit nur langsam und nur um einen geringen Betrag angehoben und wieder abgesenkt, weshalb das Auftreten eines Tsunamis auf offener See meist gar nicht bemerkt wird. Je größer die Wellenlänge, desto geringer sind die Energieverluste während der Wellenausbreitung. Bei kreisförmiger Ausbreitung ist die Energie, mit der eine Welle auf einen Küstenstreifen auftrifft, in erster Näherung umgekehrt proportional zum Abstand vom Entstehungsort des Tsunami. Grundsätzlich repräsentiert eine Welle keine Bewegung von Wasser, sondern Bewegung von Energie durch Wasser. Aus physikalischer Sicht ist Wellenausbreitung immer dann möglich, wenn eine Auslenkung aus einer Gleichgewichtslage, in diesem Fall ein Anstieg oder Abfall des Wasserspiegels, eine entgegengerichtete Rückstellkraft zur Folge hat. Bei Ozeanwellen wirkt als Rückstellkraft die Schwerkraft, die auf eine möglichst horizontale Wasseroberfläche hinarbeitet. Aus diesem Grund werden Tsunamis zu den Schwerewellen gezählt. Ein Tsunami ist also insbesondere keine Druckund keine Schallwelle; Kompressibilität, Viskosität und Turbulenz sind nicht relevant. Um die Physik eines Tsunamis zu verstehen, genügt es, die Potentialströmung einer idealen, also reibungsfreien, inkompressiblen und wirbelfreien Flüssigkeit zu betrachten. Mathematisch werden Tsunamis durch die Soliton-Lösungen der Korteweg-de Vries Gleichung beschrieben. Die Theorie der Schwerewellen vereinfacht sich in den beiden Grenzfällen der Tief- und der Flachwasserwelle. Normale Wellen, die beispielsweise durch Wind, fahrende Schiffe oder ins Wasser geworfene Steine verursacht werden, sind meist Tiefwasserwellen, da sich ihre Wellenbasis in der Regel über dem © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite23/27 Grund des Gewässers befindet, also dort wo die Welle keine Auswirkungen mehr hat. Ein Tsunami hingegen ist auch im tiefsten Ozean eine Flachwasserwelle, da die gesamte Wassersäule bewegt wird und sich auch am Ozeanboden eine langsamere Bewegung in Richtung der Wellenausbreitung feststellen lässt. Dieser Charakter ergibt sich daraus, dass bei Tsunamis die Wellenlänge größer ist als die Wassertiefe. Die Geschwindigkeit u einer solchen Welle (genauer: die Phasengeschwindigkeit) ergibt sich aus der Wurzel des Produkts von Erdbeschleunigung g und Wassertiefe h.17 Die Phasengeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich die Phase einer Welle (z. B. von Nullpunkt zu Nullpunkt) ausbreitet. 3.3. Der „Landgang“ Abb.5 Nähert sich ein Tsunami dem Festland, so verändern sich Aussehen und Wirkung unvorstellbar. Aus der lang gestreckten, kaum einen Meter starken Woge wird ein steil aufragender, zum Teil bis zu 40 Meter hoher Gigant, der ganze Küstenregionen zu verschlingen droht. Der Grund dafür ist, dass die wachsende Bodenreibung das Tempo der Welle abrupt abbremst. Die Wellenlänge der Tsunami schrumpft dramatisch, ohne dass sich die mitgeführte Energie wesentlich verringert. Man könnte sagen: Länge verwandelt sich in Höhe. 17 Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Tsunami; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite24/27 Viele Leute meinen, ein Tsunami würde immer in Form einer tosenden, brechenden Welle an Land schlagen - wie man sie von den Surfstränden auf Hawaii oder anderswo gut kennt - und alles in einem gigantischen Wasserwirbel vernichten. Dies ist aber nur selten der Fall. Viel häufiger wird dagegen eine blitzschnell steigende und fallende „Flut“, die die tiefer gelegenen Gebiete mit großer Heftigkeit überschwemmt, beobachtet. Wie die Riesenwelle sich im Einzelnen verhält, hängt von verschiedenen Faktoren vor Ort ab. Riffe, Flussmündungen, unterseeische Gebirge, vorgelagerte Inseln, die Neigung eines Strandes - alle diese topographischen Elemente können das Aussehen der Tsunami beim „Landgang“ beeinflussen. Nach Beobachtungen steigen die Wellenhöhen bei einem Tsunami dann besonders stark, wenn er in Buchten einfällt, die eine breite Öffnung haben und zum Ufer hin immer schmaler werden. Normale, vom Wind ausgelöste Wogen können zusätzlich auf den Kämmen reiten und die Tsunami-Welle weiter erhöhen. Ein vorgelagertes Korallenriff dagegen nimmt dem Tsunami meist einen großen Teil seiner Energie und vermindert die Auswirkungen auf die Küstenregionen. Vor der Ankunft des Tsunami bemerkt man zunächst ein mehrmaliges schnelles Steigen und Fallen des Meeresspiegels um einen oder zwei Meter.18 18 Online im Internet: URL: http://www.ludwigsgymnasium.de/unterr/erdkunde/tsunamis/tsunamis.htm; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite25/27 3.4. Frühwarnsystem für Tsunamis Obwohl ein Tsunami mit 1.000 Kilometern pro Stunde sehr schnell ist, vergeht oft einige Zeit, bis er nach einem Beben im Meer das Land erreicht. Diese Zeit kann man nutzen, um die Menschen an den Küsten vor der Flutwelle zu warnen. Ein Frühwarnsystem erkennt, wenn ein Erdbeben unter dem Meer stattfindet. Meeresboden Abb. 6 sind Am Fühler befestigt, die mit Bojen an der Meeresoberfläche sind. Misst ein verbunden Fühler ein Erdbeben, leitet er das an die Abb. 6 Boje per Kabel weiter. Die Boje funkt dann diese Meldung an ein Erdbebenzentrum an Land weiter. Von dort aus werden Radio- und Fernsehstationen informiert, die die Menschen warnen können.19 19 Online im Internet: URL: http://www.tivi.de/fernsehen/logo/artikel/05992/index2.html; Stand: 30.03.05 © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite26/27 4. Bildernachweis: Abb.1: Online im Internet: URL: http://home.pages.at/haralds/geo/tornado.htm, Stand: 22.03.05; Abb.2: Online im Internet: URL: http://www.ping.de/schule/pg-herne/pwetter/tornado/ursache.htm, Stand: 01.03.2005; Abb.3: Online im Internet: URL: http://www.ping.de/schule/pg-herne/pwetter/tornado/krisen.htm; Stand: 01.03.2005; Abb.4: Online im Internet: URL: http://sdac.hannover.bgr.de/web/images/world_year.gif; Stand: 30.03.05; Abb.5: Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Tsunami; Stand: 30.03.05; Abb.6: Online im Internet: URL: http://www.tsunamis.de/ie1024/; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05 Seite27/27 5. Quellennachweis: Online im Internet: URL: http://home.pages.at/haralds/geo/tornado.htm, Stand: 22.03.05 Online im Internet: URL: http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/tornado.html, Stand: 01.03.2005; Online im Internet: URL: http://www.ping.de/schule/pg-herne/pwetter/tornado/ursache.htm, Stand: 01.03.2005; Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Tornado, Stand: 01.03.2005; Online im Internet: URL: http://home.arcor.de/wetterwissen/Tornados/body_tornados. html, Stand: 05.03.05; Online im Internet: URL: http://www.erdbeben.ch/wie-entstehenerdbeben.php?page=1; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL: http://www.seismo.uni-koeln.de/edu/wellen.htm; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL:http://www.iaag.geo.unimuenchen.de/sammlung/Bebenallg.html; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Richterskala; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL: http://www.quarks.de/wellen/03.htm; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL: http://www.ludwigsgymnasium.de/unterr/erdkunde/tsunamis /tsunamis.htm; Stand: 30.03.05; Online im Internet: URL: http://www.tivi.de/fernsehen/logo/artikel/05992/index2.html; Stand: 30.03.05; © Armin Mariacher; 5.c; 2004/05
