Definition und Fachgebiet
Die Seismologie ist die Lehre von den Erdbeben und der Ausbreitung seismischer Wellen in Festkörpern. Sie ist ein Teilgebiet der Geophysik und zugleich die wichtigste Methode, um den Aufbau des Erdinneren zu erforschen. Denn seismische Wellen durchlaufen die Erde und verraten dabei, woraus ihre Schalen bestehen.
| Steckbrief | Seismologie |
|---|---|
| Fachgebiet | Teilgebiet der Geophysik |
| Untersucht | Erdbeben und seismische Wellen |
| Wellenarten | P-Wellen, S-Wellen, Oberflächenwellen |
| Messgerät | Seismograph (Ergebnis: Seismogramm) |
| Maße | Magnitude (Quelle) und Intensität (Ort) |
| Nutzen | Erforschung des Erdinneren, Erdbebengefahr |
Entstehung von Erdbeben (Plattentektonik)
Die meisten Erdbeben entstehen tektonisch. An verhakten Plattengrenzen bauen sich über lange Zeit Spannungen auf. Wird die Scherfestigkeit des Gesteins überschritten, entladen sich diese Spannungen ruckartig und die aufgestaute Energie wird als seismische Wellen frei.
Die Erdkruste besteht aus mehreren großen und kleinen Platten, die sich langsam gegeneinander bewegen. Diese Bewegung ist der Motor der Erdbeben und wird in der Plattentektonik genauer beschrieben. Wo zwei Platten aneinander vorbeigleiten oder eine unter die andere abtaucht, klemmen die Gesteine oft und geraten unter Spannung.
Erreicht diese Spannung den kritischen Wert, bricht das Gestein entlang einer Verwerfung und die Platten ruckeln in eine neue Lage. Genau in diesem Moment entsteht das Beben. Besonders viele und tiefe Beben treten an einer Subduktionszone auf, wo eine Platte in den Erdmantel abtaucht. Dort können Herde bis in rund 700 Kilometer Tiefe liegen, während gewöhnliche Beben nur wenige Kilometer tief in der oberen Kruste entstehen.
Nicht jedes Beben ist tektonisch: Auch aufsteigendes Magma vor einem Vulkanausbruch oder der Einsturz von Hohlräumen kann den Boden erschüttern. Für die Klausur ist aber die tektonische Ursache die entscheidende, denn sie erklärt, warum Erdbeben gerade dort gehäuft auftreten, wo Platten aufeinandertreffen.
Was ist der Unterschied zwischen P- und S-Wellen?
Ein Erdbeben erzeugt drei Wellentypen. P-Wellen sind Kompressionswellen und am schnellsten, sie treffen zuerst ein. S-Wellen sind langsamere Scherwellen. Danach folgen die Oberflächenwellen, die zwar am langsamsten sind, aber oft die größten Schäden anrichten.
Die P-Wellen (Primärwellen) sind Longitudinal- oder Kompressionswellen. Das Material schwingt in Ausbreitungsrichtung, ähnlich wie bei einer zusammengedrückten Feder. P-Wellen sind mit etwa fünf bis sieben Kilometern pro Sekunde in der Kruste die schnellsten und laufen sowohl durch Feststoffe als auch durch Flüssigkeiten. Weil sie zuerst ankommen, tragen sie den Namen Primärwellen.
Die S-Wellen (Sekundärwellen) sind Transversal- oder Scherwellen. Hier schwingt das Material quer zur Ausbreitungsrichtung. Sie sind mit rund drei bis vier Kilometern pro Sekunde langsamer und, das ist entscheidend, sie laufen nur durch Festkörper. Flüssigkeiten können keine Scherkräfte übertragen, deshalb werden S-Wellen dort gestoppt. Genau diese Eigenschaft wird später zum Schlüssel für die Erforschung des Erdkerns.
Die Oberflächenwellen entstehen, wenn die Raumwellen die Erdoberfläche erreichen. Man unterscheidet Love-Wellen, die den Boden horizontal seitlich verschieben, und Rayleigh-Wellen, die eine elliptische Rollbewegung erzeugen, ähnlich wie Wasserwellen. Rayleigh-Wellen sind die langsamsten, richten aber wegen ihrer großen Amplitude oft die schwersten Schäden an Gebäuden an.
Messung: Seismograph und Seismogramm
Ein Erdbeben wird mit einem Seismograph (auch Seismometer) gemessen. Das Gerät registriert die Bodenbewegungen und zeichnet sie als Kurve auf, das sogenannte Seismogramm. Emil Wiechert baute 1899 den ersten Horizontalseismographen und legte damit den Grundstein der modernen Erdbebenmessung.
Das Prinzip ist einfach: Eine träge Masse hängt so auf, dass sie bei Bodenbewegungen möglichst in Ruhe bleibt. Bewegt sich der Untergrund, verschiebt sich das Gehäuse gegen die Masse, und dieser Unterschied wird aufgezeichnet. Aus dem Seismogramm lesen Fachleute die Ankunftszeiten der einzelnen Wellen ab.
Weil P-Wellen schneller sind als S-Wellen, kommen sie an einer Station früher an. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen P- und S-Wellen lässt sich die Entfernung zum Herd berechnen. Kombiniert man die Messungen mehrerer Stationen, kann man den Herd des Bebens genau orten. So wird aus einer wackelnden Nadel eine präzise Ortsangabe.
Aus der Höhe der Ausschläge im Seismogramm bestimmen Fachleute außerdem die Stärke des Bebens. Ein weltweites Netz aus Seismographen registriert heute rund um die Uhr auch schwächste Beben und liefert die Daten, aus denen sich Magnitude, Herdtiefe und Wellenlaufweg ergeben.
Was ist der Unterschied zwischen Magnitude und Intensität?
Die Magnitude misst die Größe und Energie eines Bebens an der Quelle. Ein Beben hat genau eine Magnitude, unabhängig vom Ort. Die Intensität dagegen beschreibt die Erschütterung und die Auswirkungen an einem bestimmten Ort und nimmt mit der Entfernung vom Herd ab.
Die Magnitude wird heute meist als Momenten-Magnitude (Mw) angegeben. Sie beruht auf der tatsächlich freigesetzten Energie und erfasst auch sehr starke Beben zuverlässig. Die ältere Richterskala ist historisch und nur lokal aussagekräftig, sie gilt heute nicht mehr als Standard. Wichtig ist: Ein Beben besitzt nur einen einzigen Magnitudenwert.
Die Intensität wird über die Modifizierte Mercalliskala mit zwölf Stufen beschrieben, die mit römischen Ziffern angegeben werden. Sie wurde 1931 von Wood und Neumann eingeführt und richtet sich nach den beobachteten Auswirkungen, etwa Rissen in Mauern oder umgestürzten Möbeln. Deshalb kann dasselbe Beben in der Nähe des Epizentrums eine hohe Intensität haben und weiter entfernt nur eine niedrige.
| Merkmal | Magnitude | Intensität |
|---|---|---|
| Misst | Energie an der Quelle | Auswirkung am Ort |
| Werte pro Beben | genau einer | viele, je nach Ort |
| Skala | Momenten-Magnitude Mw | Mercalliskala (I bis XII) |
| Ortsabhängig | Magnitude nein, Intensität ja | |
Hypozentrum und Epizentrum
Das Hypozentrum, auch Herd genannt, ist der tatsächliche Ort im Erdinneren, an dem ein Beben ausgelöst wird. Das Epizentrum ist die senkrechte Projektion des Hypozentrums an die Erdoberfläche, also der Punkt direkt darüber. Am Epizentrum sind die Erschütterungen meist am stärksten.
Der Herd liegt bei den meisten Beben in der oberen Kruste, nur wenige Kilometer tief. An Subduktionszonen kann er dagegen bis in rund 700 Kilometer Tiefe reichen, man spricht dann von Tiefherdbeben. Je tiefer der Herd liegt, desto stärker verteilen sich die Erschütterungen bis zur Oberfläche.
Für die Klausur ist die Unterscheidung wichtig: Das Hypozentrum liegt im Untergrund, das Epizentrum an der Oberfläche. Wer in Nachrichten von einem Beben liest, dessen Position wird meist über das Epizentrum angegeben, während die Herdtiefe getrennt genannt wird. Beide Angaben zusammen beschreiben, wo genau das Beben stattgefunden hat.
Bedeutung: Blick ins Erdinnere
Seismische Wellen ändern an Materialgrenzen ihre Geschwindigkeit und Richtung. Aus ihrem Laufweg schließen Fachleute auf den Schalenbau der Erde. Ein Schlüsselbefund ist die S-Wellen-Schattenzone: Weil S-Wellen nicht durch den flüssigen äußeren Kern laufen, verrät ihr Ausfall dessen flüssigen Zustand.
Da P-Wellen durch Flüssigkeiten laufen, S-Wellen aber nicht, entsteht auf der dem Beben abgewandten Erdseite ein Bereich, in dem keine S-Wellen ankommen. Diese Schattenzone ist der wichtigste Beleg dafür, dass der äußere Erdkern flüssig sein muss. Die Seismologie liefert damit den Blick ins Erdinnere, den kein Bohrloch je erreichen könnte.
Auch die einzelnen Schalen der Erde, Kruste, Mantel und Kern, wurden über die Brechung und Reflexion seismischer Wellen entdeckt. Die dänische Seismologin Inge Lehmann wies 1936 nach, dass der innere Kern fest ist, weil bestimmte Wellen an einer weiteren Grenzfläche im Inneren des flüssigen Kerns reflektiert werden. So ist aus vielen einzelnen Seismogrammen nach und nach das heutige Bild vom Schalenbau der Erde entstanden.
Genau deshalb gilt die Seismologie als wichtigste Methode der Geophysik, um das Erdinnere zu erforschen. Jedes stärkere Beben ist gewissermaßen ein natürliches Experiment, das die Erde durchleuchtet und neue Daten über ihren inneren Aufbau liefert.
Häufige Fehler in der Seismologie
Die häufigsten Fehler in der Seismologie: Magnitude und Intensität werden verwechselt, Hypozentrum und Epizentrum durcheinandergebracht, und die P-Wellen fälschlich für langsam gehalten. Alle drei Punkte tauchen in Tests und Referaten immer wieder auf.
Die Magnitude (Mw, früher Richter) misst die Energie an der Quelle und ist für ein Beben ein einziger Wert. Die Intensität (Mercalli) misst den Schaden vor Ort und ist ortsabhängig.
Das Hypozentrum (der Herd) liegt im Untergrund. Das Epizentrum ist nur die Projektion dieses Punktes an die Erdoberfläche.
P-Wellen treffen zuerst ein und laufen auch durch Flüssigkeiten. S-Wellen sind langsamer und laufen nur durch Festkörper. Die Richterskala ist zudem nicht mehr Standard, heute nutzt man Mw.
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Seismologie, das Wichtigste
Die Seismologie ist die Lehre von Erdbeben und seismischen Wellen und ein Teilgebiet der Geophysik. Erdbeben entstehen meist tektonisch. P-Wellen sind am schnellsten, S-Wellen laufen nur durch Festkörper. Magnitude misst die Energie an der Quelle, Intensität den Schaden vor Ort. Seismische Wellen verraten den Aufbau des Erdinneren.
- Definition: Lehre von Erdbeben und der Ausbreitung seismischer Wellen (Geophysik).
- Ursache: meist tektonisch, Spannung an verhakten Plattengrenzen entlädt sich ruckartig.
- Wellen: P (schnell, auch durch Flüssigkeiten) vor S (nur Feststoff) vor Oberflächenwellen.
- Messung: Seismograph, Ergebnis ist ein Seismogramm.
- Merke: Magnitude (Quelle, ein Wert) ist nicht Intensität (Ort, ortsabhängig).
- Bedeutung: S-Wellen-Schattenzone belegt den flüssigen äußeren Kern.
Häufige Fragen zur Seismologie
Seismologie ist die Lehre von den Erdbeben und der Ausbreitung seismischer Wellen in Festkörpern. Sie ist ein Teilgebiet der Geophysik und die wichtigste Methode, um den Aufbau des Erdinneren zu erforschen.
P-Wellen sind schnelle Kompressionswellen, die durch Feststoffe und Flüssigkeiten laufen und zuerst eintreffen. S-Wellen sind langsamere Scherwellen und laufen nur durch Festkörper, nicht durch Flüssigkeiten.
Die Magnitude misst die Energie an der Quelle, ein Beben hat genau eine Magnitude (Mw). Die Intensität misst die Auswirkung an einem Ort und variiert mit der Entfernung (Mercalliskala).
Das Hypozentrum (der Herd) ist der tatsächliche Ort im Erdinneren. Das Epizentrum ist die senkrechte Projektion dieses Punktes an die Erdoberfläche, also der Punkt direkt darüber.
Ein Seismograph registriert die Bodenbewegungen und zeichnet sie als Seismogramm auf. Emil Wiechert baute 1899 den ersten Horizontalseismographen. Aus dem Seismogramm ergeben sich Magnitude und Herd.
S-Wellen sind Scherwellen und können sich nur in Festkörpern ausbreiten. Der äußere Kern ist flüssig, deshalb entsteht dort die S-Wellen-Schattenzone, ein Beleg für den flüssigen Außenkern.
Die Richterskala ist historisch und nur lokal aussagekräftig. Heute ist die Momenten-Magnitude (Mw) der Standard, weil sie auch sehr starke Beben zuverlässig erfasst. Beide messen die Energie an der Quelle.
Seismische Wellen ändern an Materialgrenzen ihre Geschwindigkeit. Aus ihrem Laufweg schließt man auf den Schalenbau. So belegt die S-Wellen-Schattenzone den flüssigen äußeren Kern; Inge Lehmann wies 1936 den festen inneren Kern nach.
Quellen
Die Darstellung stützt sich auf geowissenschaftliche Standardquellen und offizielle Fachstellen:
- Seismische Wellen. Wikipedia. de.wikipedia.org
- Seismologie. Wikipedia. de.wikipedia.org
- USGS: Earthquake Magnitude vs. Intensity. usgs.gov
- ETH Zürich (SED): What are P, S, Love and Rayleigh waves? seismo.ethz.ch