Seismische Wellen

Vielleicht hörst Du es häufiger in den Nachrichten, vielleicht hast Du es aber auch schon selbst einmal miterlebt – ein Erdbeben. Möglicherweise bist Du dann auch neugierig geworden und hast Dich über Erdbeben und die Seismologie informiert.

Dabei bist Du sicherlich auf seismische Wellen gestoßen. Aber was sind seismische Wellen, wie entstehen sie und welche Arten gibt es?

Seismische Wellen

Seismische Wellen sind energetische Wellen im Erdinnern, die aus ruckartigen, plötzlichen Bewegungen im Erdinnern resultieren. Bei den Bewegungen handelt es sich meistens um den Bruch von Gesteinen in der Lithosphäre. Mit seismischen Wellen geht meistens ein Erdbeben einher.

Abb.1: Arten von Seismischen Wellen in der Übersicht. Quelle: United States Geological Survey

Seismische Wellen – einfach erklärt

Seismische Wellen gehen immer mit einem Erdbeben einher und können schwere Folgen für Mensch und Umwelt haben.

Seismische Wellen – Definition

Zu solchen ruckartigen Bewegungen gehören zum Beispiel plattentektonische Prozesse.

Die Wellen breiten sich nach allen Seiten um den Erdbebenherd aus. Die Fortpflanzungsrichtung einer Erdbebenwelle beschreibt eben die Richtung, die sich die Welle vom Erdbebenherd aus ausbreitet.

Seismische Wellen können unterschiedlich stark und schnell sein. Man unterscheidet zwischen zwei beziehungsweise vier verschiedenen Arten von seismischen Wellen.

Seismische Wellen – Entstehung

Seismische Wellen entstehen überwiegend im Erdinnern durch plattentektonische Prozesse, aber auch durch Explosionen, wie bei Vulkanausbrüchen.

Durch Plattentektonik – also dem Bewegen von kontinentalen und ozeanischen Platten – und der Mantelkonvektion kommt es zum Auseinander- oder Zueinanderdriften von Platten.

Bei einem Zusammenstoß von zwei Platten verhaken sich diese miteinander, dabei wird Druck aufgebaut. Durch die weiteren plattentektonische Aktivität enthaken sich die beiden Platten nach einer Zeit wieder. Der davor entstandene Druck braut sich dann in Form von seismischen Wellen ab.

Die seismischen Wellen verlaufen dann gleichmäßig um den Erdbebenherd. Das Resultat von seismischen Wellen, die sich bis an die Erdoberfläche bewegen, sind spürbare Erdbeben.

Seismische Wellen – Ausbreitung

Nimmt man an, dass die Erde ein homogener – also einheitlicher – Körper wäre, so würden sich seismische Wellen gleichmäßig im Erdinnern ausbreiten können. Der Erdkörper setzt sich jedoch aus verschiedenen Schichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zusammen. Außerdem sind manche Schichten des Erdkörpers flüssig und andere fest. Daher können sich Wellen nicht mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ausbreiten.

Durch diese uneinheitliche Zusammensetzung der Erde kommt es zur Brechung und Reflexion der Wellen und die Ausbreitung verläuft eher gekrümmt.

Das Material beziehungsweise die Eigenschaften des Materials, durch das seismische Wellen sich bewegen, beeinflusst also die Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Durch diese verschiedenen Geschwindigkeiten der Wellen lassen sich so Rückschlüsse auf den Aufbau der Erde ziehen.

Erdbebenwellen – Arten

Im Allgemeinen unterscheidet man bei seismischen Wellen zwischen Raumwellen, die sich im Erdinnern ausbreiten, und Oberflächenwellen. Letztere breiten sich, wie der Name schon vermuten lässt, an der Erdoberfläche aus.

Raum- und Oberflächen werden jeweils in zwei verschiedene Arten eingeteilt.

Raumwellen – P- und S-Wellen

Man unterscheidet bei Raumwellen zwischen P-Wellen und S-Wellen.

P-Wellen

P-Wellen geben bei einem Erdbeben als Erstes ein Signal an eine Messstation ab, weshalb sie auch Primärwellen genannt werden. Bei der Ausbreitung der Wellen kommt es zuerst zur Kompression und danach zur Extension der Wellen.

Die Bewegung einer P-Welle kannst Du Dir wie eine Ziehharmonika oder ein Akkordeon vorstellen.

P-Wellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 5 km/s aus.

S-Wellen – oder auch Transversalwellen beziehungsweise Scherwellen – werden als zweite Wellenart von einer Messstation gemessen und werden deshalb Sekundärwellen genannt. Dabei kommt es zu einer wellenförmigen Fortbewegung durch das Erdinnere.

Die Fortbewegung einer S-Welle kannst Du Dir wie eine Achterbahn, die hoch- und runterfährt, vorstellen.

S-Wellen treten nur in festen Medien auf. Das bedeutet, dass die Welle nicht durch den flüssigen Teil des Erdmantels fließen kann. Dieses Wissen war ein Meilenstein zur Erforschung des Aufbaus der Erde, da man dadurch herausfand, dass ein Teil des Kerns fest sein muss.

Oberflächenwellen

Oberflächenwellen breiten sich, wie der Name schon vermuten lässt, an der Oberfläche der Erde aus. Man kann Oberflächenwellen mit Wellen auf dem Meer vergleichen, da beide Formen eine freie Oberfläche benötigen, um sich ausbreiten zu können.

Man unterscheidet bei Oberflächenwellen zwischen Love- und Rayleigh-Wellen.

Love-Wellen

Love-Wellen bewegen sich quer, also senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung.

Die Bewegung einer Love-Welle kannst Du Dir wie die Bewegung einer Schlange auf dem Boden vorstellen.

Rayleigh-Wellen

Die Bewegungsform einer Rayleigh-Welle kannst Du Dir wie eine Ellipse vorstellen. Hierbei kommt es sowohl zur Kompression und Extension als auch zur wellenförmigen Bewegung. Es entsteht eine Art rollende Bewegung.

Je größer die Strecke ist, die die Rayleigh-Welle von ihrem Startpunkt entfernt ist, desto weniger stark ist die Bewegung der Welle.

Seismische Wellen – Messung

Ein Seismograph ist das wichtigste Gerät für Seismologen und Seismologinnen. Das sind die Personen, die sich mit Seismologie beschäftigen. Mit dem Seismographen werden seismische Aktivitäten auf der Erde aufgenommen.

Eine Masse, die den Großteil des Seismographen ausmacht, hängt an einer Spiralfeder oder ist mit einem Scharnier befestigt.

Durch die Dehnung und Kompression einer Feder werden seismische, vertikale Bewegungen wahrgenommen und mithilfe eines Seismogramms dargestellt.

Ein Seismograph der mit einem Scharnier arbeitet, nimmt horizontale seismische Aktivitäten auf. Die Funktionsweise ist mit der einer Tür, die durch Wind bewegt wird, vergleichbar. Dabei ist der Wind mit der Bewegung der Erde zu vergleichen.

Hier siehst Du die einen Seismographen zur Messung von vertikalen und horizontalen seismischen Bewegungen:

Abbildung 6: Seismograph