Regenerative Energien und EnergieeffizienzEinführung in die Ingenieursgeophysik SS2011Prof. Dr. rer. nat. Koch
ErdbebenvorhersageFiktion oder bald Realität?
24.08.2011 1Cong-Toan Pham
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• Einleitung• Statistische Erdbebenanalyse• Erdbebensimulation• Alternative Indikatoren• Fazit
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Präsentationsinhalte
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Einleitung
Tohoku-Erdbeben• 11.März 2011• 8,9 MW • ca. 130km von Sendai, 32km Tiefe• Tsunami + Reaktorschäden • über 15700 Tote
Karte von Beben vom 11. bis 14.März
stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation
Quelle: http://www.tz-online.de
Alternative Indikatoren
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Japans Erdbebensicherung• weltweiter Vorreiter für Katastrophenschutz und Erdbebensicherheit• ausgeklügeltes Erdbeben- und Tsunamifrühwarnsystem• strenge Bauvorschriften• regelmäßige Notfallübungen Frühwarnsystem
• Seismometeraufnahme einer Erdbeschleunigung• P-Wellen als Erdbebenindikator energiearmer und schnellste Ausbreitungsgeschwindigkeit• Problem: Warnzeit abhängig vom Abstand zum Hypozentrum und erst nach dem EreignisQuelle: Joachim Fischer, Erdbebenfrühwarnsystem für Instanbul
Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren
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• Vorhersage mit Angabe Ort, Zeitpunkt, Stärke• zufällige Erscheinung extremer Ereignisse? • statistische Analyse für Eintrittswahrscheinlichkeit von Erdbeben• 3 Kategorien
• Extremwertstatistik• vereinfachte Modelle• Zeitreihenanalyse
Weltweite Erdbeben von 1954-2003
Frage: Gibt es charakteristische Merkmale und allgemeingültige Prinzipien?
Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren
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Aussage über regionale Seismizität und Wahrscheinlichkeit eines Extremereignisses ErdbebengefährdungskartenAber keine Angabe zum Zeitpunkt eines Ereignisses und zugrunde legende Mechanismen
ExtremwertstatistikAbschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit und Wiederkehrzeit eines Extremereignisses über aufgenommene Messdaten
Bsp.: Ein 100 jährliches Erdbeben hat 1% Wahrscheinlichkeit in irgendeinem Jahr aufzutreten, auch mehrfach und unregelmäßig
Zeitreihenanalyse • Hinweise für ein nicht völlig unregelmäßiges Auftreten starker Beben Suche nach Periodizität•Aufladezeit von starken Erdbeben ungefähre zeitliche Einschätzung
Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation
Quelle: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html
Alternative Indikatoren
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Vor- und Nachbebensequenzen• Auftreten von Nach- und Vorbeben zeitlich gemäß einer Potenzverteilung um ein Hauptbeben verteilt, die nach Omori‘s Gesetz beschrieben werdenNa(t)~(t-tM)-p NachbebenNf(t)~(tM-t)-q Vorbeben• Identifizierung seismischer Ruhepausen
Problem: starke Erdbeben können auch ohne Vorbeben auftreten oder ein Schwarm schwacher Beben ohne Hauptbeben, Beobachtung seismischer Ruhepausen schwierig
a) Vorbeben – dominantes Erdbeben – Nachbebenb) Dominantes Erdbeben – Nachbebenc) Schwarm kleiner Erdbeben ohne Hauptbeben
Fazit: Vorbeben für Vorhersage eingeschränkt tauglich
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Gutenberg-Richter-Gesetz• Gesetzmäßigkeit der Größenverteilung von Erdbeben bestimmter Magnitude in einer bestimmten Regionlog10N(M)=a-bM b zwischen 0,8 und 1,2 a regionale Seismizität variiert stark
Häufigkeitsverteilung San Francisco 1932-1972
Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren
Selbstorganisierte Kritikalität(SOC)• Physiker Per Bak stellt These der SOC auf:„komplexe Systeme im Nichtgleichgewicht neigen dazu in einen kritischen Zustand fernab vom Gleichgewicht zu entwickeln“
Sandhaufenmodell als SOC• Überschreitung kritischer Steigung verursacht Rutsch• Größe des Ereignisses anhand Anzahl bewegter Körner• Häufigkeitsverteilung der Größenordnung des Rutsches gehorcht einem PotenzgesetzAllgemein: N(s)=C s-t
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Quelle: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html
Alternative Indikatoren
Feder-Block-Modell• Verschiebung der Plattentektonik verursacht Spannungen, die mit der Zeit zunehmen• Überschreitung eines kritischen Schwellwertes verursacht plötzliche Entladung der Kräfte Erdbeben Zyklus des Ladevorgangs beginnt von Neuem
Hooke‘sches GesetzF(t) = k(vt- u(t))Newtonsches BewegungsgesetzF(t) = m u‘‘(t)Berücksichtigung von Reibungskräften Gleitreibung Fd und Haftreibung Fs
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Fazit:• Grundmodell zeigt sinnvolle Ansätze, ist aber nicht vollständig• unterschiedlich andere geophysikalische dynamische Prozesse sind noch nicht berücksichtigt• keine Vor- und Nachbebensequenzen• seismische Ruhephase fehlt
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Stick-Slip-Motion • Verbesserung des Modells mit mehr Blöcken• Bewegung eines einzelnen Blockes erhöht Kraft auf benachbarte Blöcke, die eventuell eine Kettenreaktion auslöst• Größe des Erdbeben abhängig von der Anzahl der bewegten Blöcke• Untersuchung ob das Modell SOC Verhalten aufweist, speziell Gutenberg-Richtergesetz erfüllt Modell zeigt Potenzgesetz-Verteilung aber mit Abweichung zu realen Daten
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Quelle: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html
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Tiere als Erdbebenvorhersage• auffälliges Verhalten der Tiere unmittelbar vor Erdbeben• Ameisenhügel siedeln auf tektonischen Bruchzonen• empfindlich für CO2-Konzentrationen und Temperaturschwankungen
• Elefanten sind in der Lage Infraschall mit ihren Füßen wahrzunehmen• Vögel bemerken Schwankungen des Magnetfeldes
Es gilt die Suche nach physikalischen Vorgängen gekoppelt an Vorbeben
Quelle: http://www.natur-lexikon.com
Quelle: http://www.planet-wissen.de
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Mysteriöse Lichterscheinungen• Volksglauben als Vorboten von Erdbeben• Vermutung von elektrischen Entladungen unter enormen Druck, ähnlich eines Gewitters nur an Erdoberfläche• Entstehung aber weiterhin umstritten
Radon als Erdbebenindikator• Anstieg der Radonkonzentration nahe Oberfläche• Spuren von Uran und Thorium im Gestein, die zu Radon zerfallen• Gesteinsschichten werden rissig und setzen Radon frei
Radonkonzentration einer Quelle Erdbeben Haicheng (China 1975)
Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation Alternative Indikatoren
Lichtblitze vor Erdbeben im japanischen Matsushiro 1966Quelle: Welt.de
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Haicheng Erdbeben 1975• erfolgreiche Evakuierung der Stadt Haicheng Februar 1975 vor Erdbeben der Magnitude 7,3 Ms aufgrund Vorläuferphänomene (Tierverhalten, Grundwasserspiegel, Neigungsänderung der Erdoberfläche)• Vorzeichen makroskopisch deutlich genug• erste erfolgreiche Erdbebenvorhersage in der GeschichteTangshang Erdbeben 1976• 28.Juli 1976 trat ein Erdbeben der Stärke 7,8 Ms
unerwartet auf offiziell 242000 Tote bekannt gegeben• Vorläuferphänomene blieben aus, Informationen unterschätzt oder nicht vermittelt
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Quelle: http://wiindsk8ter.files.wordpress.com/2011/03/china-erdbeben.jpg
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Fazit• Dynamische Vorgänge im Erdinneren noch weitgehend unbekannt• Aufgenommene Messdaten und Statistiken geben lokale seismische
Wahrscheinlichkeiten wieder und können einen groben Zeitraum besonderer Gefährdung prognostizieren
• Mathematisches Modell in Grundsätzen sinnvoll, aber noch unvollständig ohne Berücksichtigung physikalischer dynamischer Prozesse
• Erdbebenindikatoren wie Vorbebensequenzen, Tierverhalten und andere Phänomene entweder physikalisch nicht belegt oder in seltenen Fällen erkennbar
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Aus heutigem Standpunkt sind langfristige Vorhersagen von Erdbeben nicht realisierbar. Abhilfe bringt die Erfassung und schnelle Vermittlung erdbebenbegleitener Phänomene, auch wenn diese physikalisch noch nicht begründet sind.
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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QuellenangabenWiener Zeitung: Artikel „Wie Japan sich vor Erdbeben zu schützen versucht“, 11.3.2011. URL: http://www.wienerzeitung.at/nachrichten/panorama/chronik/26766_Wie-Japan-sich-vor-Erdbeben-zu-
schuetzen-versucht.htmlRademacher, Horst(Frankfurter Allgemeine): Artikel „Erste Warnmeldung nach neun Minuten“, URL: http://www.faz.net/artikel/C30721/erdbeben-fruehwarnsysteme-erste-warnmeldungen-nach-neun-minuten-
30330191.html3Sat: Artikel „Warnen in kurzer Zeit“, URL: http://www.3sat.de/page/?source=/nano/news/113771/index.htmlStaempfli, Michael: Japan und Naturgewalten, URL: http://www.staempfli.de/Japan/Erdbeben/erdbeben2.htmlFischer, Joachim: Erdbebenfrühwarnsystem für Istanbul, April 2011, URL: http://metrik.informatik.hu-berlin.de/grk-wiki/images/0/09/1104Fischer.pdfGrotelüschen, Frank(Spektrum der Wissenschaft): Artikel „Extrem gewagt“, Januar 2010URL: http://www.spektrum.de/Universität Graz: Statistische Simulation von Erdbeben,URL: http://geol43.uni-graz.at/05W/600001/erdbeben.html
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QuellenangabenHainzl, Sebastian(Universität Potsdam): Dissertation „Erdbeben und selbstorganisierte Kritizität“, November 1998Müllenmeister, Hans Jörg: Artikel „Naturphänomene als Erdbebenvorhersage“, 9.5.2011,URL: http://www.goldseitenblog.com/muellenmeister/index.php/2011/05/09/naturphaenomene-als-
erdbebenvorhersage
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