Regenerative Energien und Energieeffizienz Einführung in die Ingenieursgeophysik SS2011 Prof. Dr....

Regenerative Energien und EnergieeffizienzEinführung in die Ingenieursgeophysik SS2011Prof. Dr. rer. nat. Koch

ErdbebenvorhersageFiktion oder bald Realität?

24.08.2011 1Cong-Toan Pham


• Einleitung• Statistische Erdbebenanalyse• Erdbebensimulation• Alternative Indikatoren• Fazit


Präsentationsinhalte



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


24.08.2011 Cong-Toan Pham 4

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



• 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?




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




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




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


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



Ze it

Einleitung stat. Erdbebenanalyse Erdbebensimulation



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


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


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






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



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)


Lichtblitze vor Erdbeben im japanischen Matsushiro 1966Quelle: Welt.de



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


Quelle: http://wiindsk8ter.files.wordpress.com/2011/03/china-erdbeben.jpg


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


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.



Danke für Ihre Aufmerksamkeit!


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



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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