Gegenwart und Zukunft von Frühwarnsystemen für Erdbeben

Zwar ist mit dem heutigen Wissensstand eine Erdbebenvorhersage nicht möglich, dennoch können Erdbeben schnell erkannt werden. Bei Frühwarnsystemen wird die Kenntnis über die unterschiedliche Laufzeit von Erdbebenwellen genutzt. Der Handlungsspielraum für Schutzmaßnahmen ist aber äußerst gering, da nur wenige Sekunden zwischen dem Eintreffen der Kompressionswelle (P- oder Primärwelle) mit kleiner Amplitude und der darauf folgenden zerstörerischen Scherwelle (S- oder Sekundärwelle) vergehen. Dennoch können in dieser Zeit zumindest technische Anlagen wie Strom- und Gasleitungen abgeschaltet, Züge gestoppt, Brücken gesperrt sowie gefährliche industrielle Prozesse heruntergefahren werden. Die Schäden durch die eigentliche Erderschütterung fallen im Vergleich zu den Folgeschäden, zumeist ausgelöst durch Brände, nur gering aus. Wenn sich die Aufnahmestation näher an einer seismischen Quelle befindet, kann die so wertvolle, verfügbare Zeit höher werden (regionaler Ansatz).

Die meisten heute verwendeten Frühwarnsysteme verfolgen einen regionalen Ansatz. Ein regionales Erdbeben-Frühwarnsystem besteht aus drei miteinander verknüpften Komponenten. Hierzu gehören:

1. Ein in Echtzeit operierendes seismisches Beobachtungsnetzwerk für starke Bodenbewegungen, welches die Bodenbeschleunigung bzw. -geschwindigkeit bei einem Beben erfasst. (Auch GPS-Systeme sind in der Testphase.)
2. Eine oder mehrere Software-Plattformen, die Echtzeitsignale des Beobachtungsnetzwerks empfangen, verarbeiten und dann einen Alarm aussenden.
3. Eine technische Infrastruktur und eine Reihe von Handlungsmaßnahmen. Diese Handlungsprotokolle dienen zum einen der konzertierten Aussendung des Alarms und zum anderen beinhalten sie spezifische Strategien zur Vermeidung und Verringerung von Schäden.

Dieser regionale Ansatz ist sehr vielversprechend, und in Ländern wie Japan und Mexiko wird diese Art von Frühwarnsystemen routinemäßig von den Katastrophenschutzbehörden eingesetzt, um Folgen starker Erdbeben zu begrenzen. In Europa gibt es derzeit einzig in Rumänien und der Türkei Erdbeben-Frühwarnsysteme, die komplett in der Hand von Regierungsbehörden sind. In Rumänien betreibt das Nationale Institut für Erdphysik (NIEP) ein Erdbeben-Frühwarnsystem, welches auf die in der Region Vrancea erzeugte Seismizität ausgerichtet ist. Ziel ist es, die Hauptstadt Bukarest warnen zu können.

In Istanbul wurde im Jahr 2002 das Istanbul Earthquake Early Warning System (IEEWS) vom Kandilli Observatory und dem Earthquake Research Institute (KOERI) eingerichtet. Zehn Strong-Motion Messstationen gehören dazu. Sie befinden sich an Land in unmittelbarer Nähe der Nordanatolischen Verwerfung (Marmara fault). Das System in der Türkei berechnet Epizentrum und Magnitude eines Bebens nicht in Echtzeit. Es zeigt jedoch schnell an, wenn sich eine starke Bodenbewegung innerhalb des Messnetzwerkes vollzieht. Andere Länder wie die Schweiz oder Italien betreiben Erdbeben-Frühwarnsysteme im Rahmen experimenteller Forschungsaktivitäten. Diese Frühwarnsysteme sind mit verschiedenen Endnutzern verbunden, unter anderem auch Katastrophenschutzbehörden. In Spanien, Portugal oder Frankreich werden zunächst Machbarkeitsstudien gefertigt und Forschungsvorhaben durchgeführt.

In den vergangenen Jahrzehnten konzentrierten sich mehrere, zum Teil große Forschungsprojekte, wie zum Beispiel SAFER oder REAKT, auf die Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen für Frühwarnsysteme bzw. die Forschung zu den dafür benötigten Technologien. Dabei stand eher die europäische Anwendungsperspektive im Fokus. Denn obwohl das Niveau der wissenschaftlichen Forschung wie auch die technologischen Kapazitäten in Europa mit denen von Mexiko, Japan oder Kalifornien vergleichbar sind, hat man sich in Europa bisher nicht auf die Implementierung einer gemeinsamen Frühwarn-Infrastruktur für Erdbeben – beispielsweise für den Mittelmeerraum – geeinigt. Dafür gibt es einige Gründe. In Europa sind aufgrund der unterschiedlichen, tektonischen Prozesse andere seismische Muster zu beobachten. In Mexiko oder Japan gibt es klare Subduktionszonen, die bedeutende Beben – mit Magnituden größer 8 – erzeugen können. Zwischen den möglichen seismischen Quellen und den schutzbedürftigen Anlagen können Hunderte von Kilometern liegen, sodass in Japan und Mexiko ideale Voraussetzungen für die Anwendung eines "Standard"-Erdbeben-Frühwarnsystems vorliegen.

Ganz im Gegensatz dazu wird die seismische Gefährdung in Europa von einer Vielzahl von mittleren und kleineren Quellen dominiert, auch wenn es Subduktionszonen im Mittelmeerraum gibt. Diese mittleren und kleinen Quellen von Beben sind in Europa zudem oft sehr nah an bewohnten Gebieten. Dieser Umstand verringert die Vorlaufzeit, das heißt die Zeit, die zwischen der ersten Erkennung eines Bebens und dem Eintreffen der starken Scherwellen zur Verfügung steht, meist auf wenige Sekunden. Das bedeutet, dass in vielen Fällen nur automatisierte bzw. sehr schnelle Notfallmaßnahmen durchgeführt werden können. Meist kann die Öffentlichkeit nicht mehr alarmiert werden. Damit ein solcher Mechanismus zur Frühwarnung überhaupt effizient genutzt werden kann, sollten zumindest in kritischen Infrastrukturen wie Schulen oder Krankenhäusern spezifische Fortbildungsmaßnahmen durchgeführt werden. Ohne dieses spezielle Training kann die Alarmierung der Zivilbevölkerung gar negative Folgen des Bebens verstärken, weil eine unkoordinierte Reaktion oder allgemeine Panik ausgelöst wird. Außerdem können Fehlalarme in diesem Fall tatsächlich zum Problem werden. Menschen verlieren möglicherweise ihr Vertrauen in die Systemeffizienz und -zuverlässigkeit.

Am Deutschen Geoforschungszentrum forschen wir an verschiedenen Ansätzen zu Erdbeben-Frühwarnsystemen, die den Weg für eine neue Generation von Frühwarn-Systemen ebnen könnten. Diese neue Generation an Systemen könnte in Zukunft in einer größeren Reihe von Ländern zum Einsatz kommen. Insbesondere werden Hybridsysteme getestet, bei denen regionale Überwachungsinfrastrukturen mit intelligenten Sensoren kombiniert werden. Die Sensoren werden dezentral, an vielen Stellen verteilt implementiert (Parolai et al. 2017). Dezentrale, "vor Ort-"Frühwarnsysteme beruhen auf der Beobachtung, dass der stark schwingenden Wellenfront eine schwächere Wellenfront mit höherer Geschwindigkeit vorausgeht.

Ist der Abstand zum Epizentrum des Erdbebens ausreichend groß, kann die Erkennung dieser schnelleren Wellenfront eine Warnung für das bevorstehende gefährliche Schütteln sein (Bindi et al. 2015). Diese Sensorensysteme können wirksam in regionale Systeme integriert werden, in denen es nur wenige Netzwerke von sorgfältig positionierten Echtzeit-Sensoren für starke Bewegungen gibt. Die Sensoren erhöhen die Warnzeit und damit die Effizienz der Präventionsmaßnahmen weiter. Eine neue Generation dieser intelligenten und auch kostengünstigen Sensoren wurde kürzlich entwickelt und getestet. Diese Sensoren mit der Bezeichnung MP-WISE, die einer früheren Generation namens SOSEWIN folgen, verfügen über große Rechenkapazitäten. Sie können mit anderen Sensoren verbunden werden und dann Teil eines Frühwarnsystems für verschiedene Naturgefahren sein (Boxberger et al. 2017). Denkbar ist eine Integration in Frühwarnsysteme für Hangrutschungen oder auch für Vulkanausbrüche.

Ein MP-WISE-Knoten/-Sensor besteht aus einer Sensoreinheit und einem Mini-Computer. Wird an einem Sensor-Knoten ein vorgegebener Grenzwert der Bodenbeschleunigung überschritten, so kommuniziert er mit den Nachbarknoten des Netzwerks. Zeigen diese im selben Zeitfenster eine vergleichbare Beobachtung, kann dezentral eine Frühwarnung ausgelöst werden. Das Netzwerk lässt sich unproblematisch durch Hinzufügen neuer Knoten erweitern. Unter Umständen ausgefallene Sensoren können von bis zu 200 Meter entfernten Geräten kompensiert werden.

In einem neuen Ansatz sollen Einzelsensoren auch von privaten Haushalten und Betrieben erworben werden können, damit sich diese an der Frühwarnung direkt beteiligen können. So könnten flächendeckend tausende Sensoren verteilt werden, um im Erdbebenfall in möglichst jedem Haus, jeder Etage oder sogar jeder Wohnung die Boden- und Gebäudebewegung zu erfassen. Mit MP-WISE können neben der Erdbebenüberwachung auch meteorologische, geodätische oder optische Größen erfasst und ausgewertet werden. Das System wurde bisher in Istanbul (Türkei), Thessaloniki (Griechenland) und Neapel (Italien) im Rahmen von Projekten eingesetzt und getestet. Ein Netzwerk von mehr als 60 Sensoren wurde in Bischkek (Kirgisistan) in rund 20 Gebäuden installiert und ist nun ein integraler Bestandteil eines Frühwarnsystem-Prototyps. Darüber hinaus werden Echtzeit-Schätzungen von Schäden und Verlusten systematisch untersucht, um die Aktivierungsschwelle des Erdbeben-Frühwarnsystems besser zu bemessen. Gleichzeitig bekommen Katastrophenschutzbehörden und Entscheidungsträger so eine erste Schätzung der Auswirkungen eines Erdbebens (Pittore et al ., 2014). Diese Weiterentwicklungen werden derzeit in Kirgisistan getestet. Im Rahmen des Projekts ACROSS wurden kürzlich 18 Echtzeit-Sensoren für starke Bodenbewegungen in enger Zusammenarbeit mit lokalen wissenschaftlichen Partnern und Regierungsbehörden installiert.

Die Forschung zielt darauf ab, derzeitige Lücken zu schließen. Sie erlaubt die Umsetzung (relativ) kostengünstiger Erdbebenfrühwarnsysteme sowie eine schnelle, oft automatisierte Reaktion auf Beben in Europa. Länder, die nur einer mittleren oder geringen seismischen Gefährdung ausgesetzt sind, profitieren von dieser kostengünstigen Variante. Aber eben auch für Regionen, deren Wirtschaftskraft oder technologische Ressourcen nicht ausreichen, um anspruchsvollere und komplexere Systeme zu installieren, wäre dieses Frühwarnsystem ein riesiger Gewinn.

Beitrag erstellt am 9. Mai 2018

• Bindi, D., Boxberger, T., Orunbaev, S., Pilz, M., Stankiewicz, J., Pittore, M., Iervolino, I., Ellguth, E. & Parolai, S. (2015). On-site early-warning system for Bishkek (Kyrgyzstan). Annals of Geophysics, 58(1):S0112. doi:10.4401/ag-6664

• Boxberger, T., Fleming, K., Pittore, M., Parolai, S., Pilz, M. & Mikulla, S. (2017). The Multi-Parameter Wireless Sensing System (MPwise): Its Description and Application to Earthquake Risk Mitigation. Sensors, 17(10):2400. doi:10.3390/s17102400

• Clinton, J., Zollo, A., Marmureanu, A., Zulfikar, C. & Parolai, S. (2016). State-of-the art and future of earthquake early warning in the European region. Bulletin of Earthquake Engineering, 14(9), 2441-2458. doi:10.1007/s10518-016-9922-7

• Fleming, K., Picozzi, M., Milkereit, C., Kühnlenz, F., Lichtblau, B., Fischer, J., Zulfikar, C. & Özel, O. (2009). The Self-organizing Seismic Early Warning Information Network (SOSEWIN). Seismological Research Letters, 80(5),755-771. doi:10.1785/gssrl.80.5.755

• Parolai, S., Boxberger, T., Pilz, M., Fleming, K., Haas, M., Pittore, M., Petrovic, B., Moldobekov, B., Zubovich, A. & Lauterjung, J. (2017). Assessing Earthquake Early Warning Using Sparse Networks in Developing Countries: Case Study of the Kyrgyz Republic. Frontiers in Earth Science, 5:74. doi:10.3389/feart.2017.00074

• Pittore, M, Bindi, D., Stankiewicz, J., Oth, A., Wieland, M., Boxberger, T. & Parolai, S. (2014). Toward a Loss-Driven Earthquake Early Warning and Rapid Response System for Kyrgyzstan (Central Asia). Seismological Research Letters, 85(6), 1328-1340. doi:10.1785/0220140106