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App für Erdbeben-Frühwarnung : Sensibles Smartphone

  • -Aktualisiert am

Schwere Erdbeben: Ein klassisches Seismogramm. Bild: dpa

Dank einer App werden Smartphones zu seismischen Sensoren. Die klassischen Erdbeben-Überwachungssysteme erhalten erstmals mobile Unterstützung.

          Eine zuverlässige Vorhersage von Erdbeben ist bislang nicht möglich, obwohl fragwürdige Pseudowissenschaftler sich immer wieder mit gegenteiligen Behauptungen brüsten. Die mechanischen Vorgänge, die sich vor und während eines Bebens in der Erdkruste abspielen, sind zu komplex, um vollständig entschlüsselt zu werden. Das ist einer der Gründe, warum sich die seismologische Forschung inzwischen weitgehend von der Entwicklung von Verfahren zur Erdbebenvorhersage abgewandt hat. Wesentlich vielversprechender ist dagegen der Aufbau von Erdbebenfrühwarnsystemen, die Menschen und Maschinen bis zu einigen Dutzend Sekunden Zeit geben, sich auf bevorstehende Erschütterungen des Erdbodens vorzubereiten. Kalifornische Wissenschaftler haben nun eine App entwickelt, die Handys in seismische Sensoren verwandelt und Tausende solcher Smartphones zu einem unsichtbaren Erdbebenmessnetz verschaltet. Früher oder später könnte daraus ein zuverlässiges Erdbebenfrühwarnsystem entstehen.

          Die Frühwarnung vor Erdbeben macht sich zunutze, dass potentiell zerstörerische seismische Wellen, die sogenannten S-Wellen, das Erdinnere wesentlich langsamer durchlaufen als die weitgehend ungefährlichen P-Wellen. Eine typische P-Welle rast mit etwa 21 000 Kilometern pro Stunde durch die Erde, eine S-Welle bringt es dagegen „nur“ auf etwa 13 000 Kilometer pro Stunde. Außerdem ist für Frühwarnungen noch ein dritter Gesichtspunkt wichtig, nämlich die Geschwindigkeit, mit der digitale Informationen über Kabel oder per Funk übertragen werden. Das geschieht annähernd mit Lichtgeschwindigkeit, also mit rund 300 000 Kilometern pro Sekunde.

          Smartphones mit der App „My Shake“ im Labortest.

          Der Kern einer Frühwarnung ist es, ein Erdbeben schon in unmittelbarer Nähe seines Herdes mit Seismometern schnell zu erfassen und die Messwerte rasch in ein Datenzentrum zu übertragen. Dort werden diese Messungen automatisch ausgewertet, indem die genaue Lage des Erdbebenherdes und die zu erwartende Magnitude berechnet werden. Aus diesen Ergebnissen und den bekannten Geschwindigkeiten der seismischen Wellen lässt sich dann ermitteln, wie lange es dauert, bis S-Wellen in welcher Stärke an verschiedenen Orten eintreffen.

          Bei der Erfassung und Übertragung der ursprünglichen Messwerte vergehen etwa zwei bis drei Sekunden. Die Computerprogramme, die inzwischen in Japan, Taiwan und Kalifornien für die anschließende Auswertung entwickelt wurden, erledigen diese Berechnungen mittlerweile in ein bis zwei Sekunden. Somit können schon vier bis fünf Sekunden nach dem Beginn eines Erdbebens erste Warnungen übermittelt werden. Liegt beispielsweise eine dicht bewohnte Stadt 70 Kilometer vom Erdbebenherd entfernt, dauert es etwa 20 Sekunden, bis die ersten potentiell zerstörerischen S-Wellen dort eintreffen. Zieht man davon jene fünf Sekunden ab, die zur Berechnung der Frühwarnparameter und deren Übertragung nötig sind, bleiben der Bevölkerung etwa 15 Sekunden, sich auf die Erschütterungen des Bodens vorzubereiten.

          Auf den ersten Blick erscheinen diese 15 Sekunden recht kurz. In Wirklichkeit bietet diese Warnzeit aber genug Gelegenheit, die Folgen eines Erdbebens erheblich zu mildern. Menschen haben nämlich genügend Zeit, unter einen stabilen Tisch oder Schreibtisch zu kriechen und sich somit vor fallenden Gegenständen zu schützen. Aufzüge können automatisch auf Stockwerksebene angehalten und geöffnet werden, so dass sie nicht bei dem Erdbeben zwischen zwei Geschossen hängenbleiben. Ventile in Erdgasleitungen können automatisch geschlossen werden, womit sich das Ausbrechen von Bränden verhindern lässt. Die Garagentore von Feuerwachen können durch das Warnsignal automatisch geöffnet, Züge können abgebremst und Brücken oder Tunnel gesperrt werden. Ärzte im Operationssaal können die medizinischen Eingriffe unterbrechen, damit ihr Skalpell bei Erschütterungen des Bodens nicht „abrutscht“. Kräne können Ladungen automatisch zum Boden führen und Maschinen in Fabriken in einen Sicherheitsmodus gefahren werden. Diese Liste von Beispielen ließe sich beliebig fortsetzen.

          Bisher verfügen nur wenige Länder über ein umfassendes Erdbebenfrühwarnsystem. In Japan, Taiwan und großen Teilen Mexikos sind solche Netze bereits seit Jahren erfolgreich in Betrieb. Obwohl die nordamerikanische Westküste zwischen Kalifornien und Britisch-Kolumbien zu den seismisch gefährdetsten Gegenden der Welt gehört, gibt es dort bisher lediglich ein Prototypsystem, mit dem keine öffentlichen Warnungen möglich sind. Einer der Gründe, warum diese Region anderen Ländern hinterherhinkt, ist die geringe Dichte der seismischen Stationen in diesem Gebiet. Weder Washington noch die verschiedenen Landesregierungen haben bisher Geld für die notwendige Verdichtung des seismischen Netzes zur Verfügung gestellt. Lediglich im Großraum Los Angeles gäbe es genügend Stationen für eine zuverlässige Frühwarnung.

          Die Smartphones beim Test auf dem Wackeltisch.

          Genau in diese Lücke könnte nun die von Wissenschaftlern der University of California in Berkeley und dem Forschungslabor der Deutschen Telekom im Silicon Valley entwickelte App stoßen. In jedem modernen Smartphone gibt es nämlich einen winzigen Sensor, der die Bewegungen des Handys in drei Dimensionen erfasst. Im Prinzip misst dieser Sensor Beschleunigungen, die das Handy durch Bewegungen erfährt. Damit gleicht dieses sogenannte Mems-Akzelerometer im Smartphone einem Seismometer. Allein in Kalifornien gibt es etwa 25 Millionen Smartphones und somit die gleiche Anzahl dieser Sensoren. Die App unter dem Namen „My Shake“ sucht nun in den Aufzeichnungen des Beschleunigungsmessers gezielt nach den für Erdbeben charakteristischen Wellenformen. Diese Aufgabe ist nicht leicht, wird das Smartphone doch durch die Bewegungen seines Besitzers dauernd erheblich erschüttert. Den Forschern um Qingkai Kong und Richard Allen ist es nun gelungen, dieses Hindernis zu überwinden. Sie haben einen Algorithmus entwickelt, der die Aufgabe der Trennung der verschiedenen Erschütterungssignale meistert, wie sie in der Zeitschrift „Science Advances“ berichten.

          Entdeckt dieses Programm ein erdbebenähnliches Signal, sendet das Handy automatisch eine kurze Nachricht an das Datenzentrum in Berkeley. Treffen dort innerhalb kurzer Zeit genügend solcher „Trigger-Meldungen“ ein, fordern die Computer im Datenzentrum von den jeweiligen Handys die kompletten Aufzeichnungen der internen Sensoren an und werten sie seismologisch in Bezug auf Erdbebenherd und Magnitude aus. All das geschieht völlig automatisch, ohne dass dabei die anderen Funktionen des Handys beeinträchtigt werden oder dessen Batterie unnötig stark belastet wird.

          Nachdem diese zur Zeit nur für das Betriebssystem „Android“ existierende App auf der Jahrestagung der amerikanischen Wissenschaftsgesellschaft (AAAS) kürzlich in Washington vorgestellt wurde, haben sie weltweit nahezu hundertausend Handy-Besitzer vom Google-Playstore heruntergeladen und installiert. Nun wird sich zeigen, ob dieses virtuelle seismische Netz im Betrieb nicht nur die klassische Überwachung von Erdbeben verbessert, sondern sich auch für die Frühwarnung nutzen lässt.

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