Erdbeben: P- und S-Wellen, Magnitude, 8 Aufgaben mit Lösung

Ein Erdbeben ist eine plötzliche Erschütterung des Bodens, die durch das Brechen von Gestein in der Tiefe entsteht. Die Gesteine der Erdkruste werden über Jahrhunderte von den langsam wandernden Platten geschoben und speichern dabei Energie wie eine gespannte Feder. Wenn die Spannung die Festigkeit des Gesteins übersteigt, bricht die Verwerfung, die beiden Blöcke rutschen aneinander vorbei, und die gespeicherte Energie wird innerhalb von Sekunden als Erdbebenwellen freigesetzt.

Die Frage, die das ganze Thema ordnet, lautet: Wie beschreibt man ein Erdbeben mit Zahlen? Wo es entstanden ist (Hypozentrum), wie stark es ist (Magnitude), wie stark ein Ort es gespürt hat (Intensität) und wie weit es entfernt war (Zeitunterschied zwischen den Wellen).

Die wichtigsten Begriffe

Begriff	Bedeutung
Verwerfung	Bruch in der Erdkruste, an dem zwei Gesteinsblöcke aneinander vorbeigleiten
Hypozentrum (Herd)	Punkt in der Tiefe, an dem das Gestein bricht: Hier entsteht das Beben
Epizentrum	Punkt an der Oberfläche senkrecht über dem Hypozentrum
Erdbebenwellen	Schwingungen, die vom Hypozentrum ausgehen und durch die Erde laufen
Seismograph	Gerät, das Bodenerschütterungen aufzeichnet
Seismogramm	die vom Seismographen gezeichnete Kurve
Erdbebenschwarm	Folge vieler kleiner Beben ohne klares Hauptbeben
Nachbeben	schwächeres Beben nach dem Hauptbeben, über Tage oder Monate

Die Erdbebenwellen: P, S und Oberflächenwellen

Welle	Bewegung des Bodens	Typische Geschwindigkeit	Ankunft	Wirkung
P (Primärwellen)	Druck und Zug in Laufrichtung, wie bei einer Feder	5-7 km/s in der Kruste	zuerst	kurzer Schlag, wenig zerstörerisch
S (Sekundärwellen)	Schwingung quer, hoch und runter	3-4 km/s	nach den P-Wellen	starkes Rütteln, sehr schädlich
Love	waagerechtes Schwingen an der Oberfläche	unter 4 km/s	zuletzt	sehr zerstörerisch
Rayleigh	kreisende Bewegung wie Meereswellen	unter 4 km/s	zuletzt	sehr zerstörerisch

P-Wellen laufen durch feste, flüssige und gasförmige Stoffe, S-Wellen nur durch feste. So hat man entdeckt, dass der äußere Erdkern flüssig ist: S-Wellen kommen nicht hindurch, wie man beim Schalenbau der Erde sieht. Der Zeitunterschied zwischen P und S ist auch das Werkzeug, um ein Beben zu orten, wie Aufgabe 4 zeigt.

Warum sie entstehen: die Platten

Erdbeben sind nicht zufällig verteilt: Rund 90 % ereignen sich an den Plattengrenzen, besonders um den pazifischen „Feuerring“, wo auch die meisten Vulkane liegen.

Grenze	Was passiert	Beispiel
konvergent	eine Platte stößt auf die andere oder taucht unter sie: die stärksten und tiefsten Beben	Japan, Chile, Indonesien
divergent	Platten entfernen sich voneinander: schwache, flache Beben	Mittelatlantischer Rücken, Ostafrikanischer Graben
Transformstörung	Platten gleiten seitlich aneinander vorbei	San-Andreas-Verwerfung (Kalifornien)

Fast alle Beben sind tektonisch. Andere Arten sind viel seltener: vulkanische (durch Magmabewegung), Einsturzbeben (unterirdische Hohlräume brechen ein) und induzierte Beben durch den Menschen (Einpressen von Flüssigkeiten, große Stauseen).

Die Tiefe des Hypozentrums

Typ	Tiefe	Anmerkung
flach	0-70 km	etwa 3 von 4 Beben, die schädlichsten
mittel	70-300 km	häufig an konvergenten Grenzen
tief	300-700 km	auf großer Fläche spürbar, aber mit geringen Schäden

Die Tiefe erklärt, warum zwei Beben gleicher Magnitude ganz verschiedene Wirkungen haben können. Aufgabe 7 rechnet es vor.

Magnitude und Intensität: zwei verschiedene Skalen

	Magnitude	Intensität
was sie misst	die an der Quelle freigesetzte Energie	die Wirkung an einem Ort
Werte pro Beben	nur einer	viele, einer pro Ort
wie man sie erhält	Seismograph	Beobachtung von Schäden und Wahrnehmung
Skalen	Richter (ML), Momentmagnitude (Mw)	Mercalli, EMS-98
Werte	Dezimalzahlen (5,7; 6,3)	römische Ziffern, I-XII

Die Magnitudenskala ist logarithmisch: +1 bedeutet 10-fache Amplitude und 31,6-fache Energie. Wer die Potenzgesetze beherrscht, sieht es sofort: Die Energie wächst wie 10^(1,5 M), und die Aufgaben 5 und 6 rechnen es durch.

Magnitude	Typische Wirkung	Wie viele pro Jahr weltweit
unter 3	fast nie spürbar	Hunderttausende
3-3,9	von wenigen gespürt, keine Schäden	etwa 130.000
4-4,9	Gegenstände wackeln, Schäden selten	etwa 13.000
5-5,9	Schäden an schwachen Gebäuden	etwa 1.300
6-6,9	zerstörerisch im Umkreis von etwa 100 km	etwa 130
7-7,9	schwer, Schäden auf großer Fläche	etwa 15
8 und mehr	katastrophal, über Hunderte km	etwa 1

Das stärkste je gemessene Beben war das von Chile 1960 mit der Momentmagnitude 9,5.

Erdbeben in Deutschland

Deutschland liegt im Inneren der Eurasischen Platte, weit weg von den großen Plattengrenzen. Die Erdbebengefahr ist deshalb gering bis mäßig, aber nicht null. Aktiv sind vor allem die Niederrheinische Bucht (zwischen Köln und Aachen), der Oberrheingraben, die Schwäbische Alb und das Vogtland, wo Erdbebenschwärme auftreten. Die Bauvorschriften teilen das Land in Erdbebenzonen 0 bis 3 ein (DIN EN 1998-1). Die Messdaten sammeln unter anderem das GFZ Potsdam und die BGR.

Beben	Magnitude	Anmerkung
Düren, 1756	etwa 6,1	stärkstes bekanntes Beben im Rheinland
Albstadt (Schwäbische Alb), 1978	5,7 (ML)	Schäden an vielen Gebäuden
Roermond (NL), 1992	5,3 (Mw) bis 5,9 (ML)	Schäden bis in die Region Köln und Aachen

Roermond zeigt nebenbei, wie wichtig die Skala ist: Dasselbe Beben hat je nach Verfahren zwei verschiedene Magnituden. Deshalb nutzen Seismologen für starke Beben die Momentmagnitude Mw.

Dass Deutschland auch bei fernen Beben eine Rolle spielt, zeigt der Tsunami im Indischen Ozean 2004: Das GFZ Potsdam baute danach das Tsunami-Frühwarnsystem GITEWS für Indonesien auf. Wie schnell eine solche Welle läuft, rechnet Aufgabe 8 aus.

Was tun bei einem Erdbeben?

• Während des Bebens: Ducken, Schutz suchen, festhalten. Unter einen stabilen Tisch oder an eine tragende Wand, weg von Fenstern, Spiegeln und hohen Möbeln; keinen Aufzug benutzen.
• Im Freien: Abstand zu Gebäuden, Bäumen, Stromleitungen und allem, was herabfallen kann.
• Danach: mit Nachbeben rechnen, das Treppenhaus benutzen und einen freien Platz aufsuchen; den Anweisungen der Behörden folgen.

Häufige Fehler

• Hypozentrum und Epizentrum verwechseln. Das Hypozentrum liegt unter der Erde, das Epizentrum darüber an der Oberfläche.
• Magnitude und Intensität verwechseln. Die Magnitude ist eine pro Beben, die Intensität eine pro Ort.
• Die Skala für linear halten. Magnitude 8 ist nicht das Doppelte von Magnitude 4, sondern die 10.000-fache Amplitude und die 1.000.000-fache Energie.
• Alles ‘Richterskala’ nennen. Seismologen nutzen heute vor allem die Momentmagnitude (Mw), die bei starken Beben zuverlässiger ist.
• Glauben, das Beben entstehe im Epizentrum. Es entsteht im Hypozentrum; das Epizentrum ist nur die Projektion.
• Vorhersagen erwarten. Man berechnet Wahrscheinlichkeiten, keine Termine.
• Tiefe Beben für die gefährlichsten halten. Bei gleicher Magnitude erschüttern flache Beben die Oberfläche am stärksten.
• Meinen, in Deutschland gebe es keine Erdbeben. Es gibt sie, meist schwach, aber einzelne richten Schäden an.

Die acht Aufgaben unten gehen vom Leichten zum Schweren, und keine nutzt dasselbe Verfahren wie die vorige. Die ersten beiden festigen die Begriffe und das Rechnen mit P- und S-Wellen, die dritte nutzt den Satz des Pythagoras, um vom Epizentrum zum Hypozentrum zu kommen, die vierte ortet ein Epizentrum über den Zeitunterschied der Wellen, die fünfte und die sechste arbeiten mit der logarithmischen Skala und der Energie, die siebte erklärt, warum gleiche Beben unterschiedliche Schäden anrichten, und die achte berechnet die Geschwindigkeit eines Tsunamis mit derselben Idee wie die gleichförmige Bewegung.