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Feuilleton

Die Welt unter unseren Füßen

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Geophysiker erforschen die Struktur des Erdinneren. Künftig steht ihnen dafür auch das moderne Conrad-Observatorium am niederösterreichischen Trafelberg zur Verfügung.

Warum bebt die Erde? Wann tut sie es das nächste Mal? Und müssen wir uns davor fürchten? Es sind solche und zahlreiche andere Fragen, die Götz Bokelmann seit dem Erdbeben in Japan immer wieder mit Geduld und wissenschaftlicher Sachlichkeit beantwortet (oder als unbeantwortbar zurückweist). Auch wenn der naturkatastrophale Anlass unerfreulich ist, kann Bokelmann das plötzliche Interesse an seinem Fach nur Recht sein. Der Seismologe besetzt an der Fakultät für Geowissenschaften, Geografie und Astronomie der Universität Wien seit einigen Monaten den zuvor zehn Jahre lang vakanten Lehrstuhl für Geophysik.

"Geophysik ist so wichtig für die Gesellschaft, dass diese das manchmal vergisst“, meint er. "Ohne Geophysik gäbe es keine Autos, keine chemische Industrie und unser Leben sähe völlig anders aus.“ Als volksbildnerisches Novum organisierte Bokelmann auf Universitätsgelände sogar zwei Informationsveranstaltungen zu Fukushima. Dabei konnte man unter anderem lernen, dass entgegen dem subjektiven Eindruck die Erdbebenhäufigkeit nicht zunimmt. Ansteigend sind hingegen zerstörerische Auswirkungen und menschliche Opfer, was vor allem an der Urbanisierung liegt.

Urbanisierung führt zu mehr Zerstörung

"Immer mehr Menschen leben in Städten, von denen sich viele in seismisch gefährlichen Zonen befinden“, so Bokelmann. Nach zuverlässigen Frühwarnsystemen befragt muss die Wissenschaft jedoch auf absehbare Zukunft nach wie vor bedauernd abwinken: wohl kann man Bebenwahrscheinlichkeiten für Regionen errechnen. Aber Ort, Zeitpunkt und Stärke eines Erdbebens auch nur kurzfristig exakt vorherzusagen bleibt vorerst ein Wunschtraum.

Damit sich das eines Tages ändert, sind langfristige, lückenlose und exakte Beobachtungen seismischer Aktivitäten unverzichtbar. Von der Auswertung möglichst vieler Messdaten hoffen Wissenschaftler ein genaueres Verständnis der komplexen Prozesse im Erdinneren zu gewinnen. Das nationale Erdbebenmesssystem in Österreich verfügt über etwa 60 landesweit verteilte Stationen, die je nach Bautyp Nahbeben, Fernbeben oder besonders starke Bodenbewegungen direkt an Risikozonen erfassen können. "Es sind gute Stationen, aber leider nur wenige“, bedauert Götz Bokelmann. "Eine genaue Lokalisierung seismischer Ereignisse ist dadurch schwierig.“

Neben der Seismologie gibt es noch weitere Teildisziplinen. Etwa die Geomagnetik, die das Magnetfeld der Erde vermisst. Oder die Gravimetrie, deren Aufmerksamkeit dem terrestrischen Schwerefeld gehört. Auch Atmosphäre, Klima und natürliche Elektrizität fallen in die Kompetenz der Geophysik, die somit eine sehr umfassende Wissenschaft ist. Um neue Erkenntnisse zu erlangen, benötigen Geophysiker vor allem eines: hochpräzise Messstationen.

Eine Messstation die fast das komplette Spektrum geophysikalischer Messungen abdeckt, ist das Conrad-Observatorium der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG). "Diese Kombination aus verschiedenen Messeinrichtungen ist weltweit einmalig“, sagt Roman Leonhardt, Direktor des Observatoriums, stolz. Die Anlage befindet sich etwa 50 Kilometer südwestlich von Wien in einem Naturschutzgebiet auf dem Trafelberg in Niederösterreich. Auf mehr als 1000 Meter Seehöhe, fernab von Verkehr und besiedeltem Gebiet, tief im Inneren unmagnetischen Kalkgesteins verborgen, sind optimale Bedingungen für störungsfreie Messungen gegeben. Besucher haben keinen Zutritt, weil ihre Bewegungen, aber auch bereits ihre bloße Körpertemperatur, die hochsensiblen Geräte stören würden. Selbst Personal ist nur selten vor Ort, sämtliche Messdaten werden direkt an die Hauptabteilung Geophysik der ZAMG in Wien übertragen. Eine Hauptaufgabe des Conrad-Observatoriums ist die Erdbebenmessung. Im Inneren eines 150 Meter langen, waagrecht in den Berg geschlagenen, Stollen befinden sich vier, in bis zu 100 Meter tiefe Bohrlöcher einbetonierte, Sockel. Auf einem davon ist das aktive Seismometer montiert, das Teil des österreichischen Erdbebenmesssystems ist. Es misst Bodengeschwindigkeiten bis auf ein Millionstel Millimeter genau. Weltweite Erdbeben der Stärke 5 oder mehr können erfasst werden. Die übrigen drei Sockel dienen der Wissenschaft.

In einem eigenen Raum außerhalb des Stollens befindet sich die gravimetrische Messstation, der zweite Bereich des Observatoriums. Hier werden geringste Veränderungen des Erdschwerefeldes registriert. Hauptgerät ist ein Gravimeter, von dem es weltweit nur 31 Stück gibt. Dessen Funktionsprinzip: eine auf vier Grad über den absoluten Nullpunkt herab gekühlte supraleitende Spule erzeugt ein Magnetfeld. Dieses hält eine hohle Metallkugel in der Schwebe. Ändert sich nun das Schwerefeld der Erde, wird die Kugel entsprechend leichter oder schwerer. Gleichzeitig wird das Magnetfeld so angepasst, dass die Kugel in ihrer ursprünglichen Position verharrt.

Der für diese Anpassung nötige Strom ist direkt proportional zur Gewichtsänderung der Kugel und wird von einer elektronischen Messeinheit exakt erfasst. Grafisch zeigt sich das in Form der bekannten, oszillierender Liniendiagramme. Ursachen für Veränderungen des Erdschwerefeldes können beispielsweise Dichteschwankungen im Erdinneren sein oder Unregelmäßigkeiten der Erdrotation. Sogar die Wassermoleküle einer Regenwolke verändern minimal das Schwerefeld auf der darunter befindlichen Erde. Daraus ergeben sich interessante Anwendungen. "Mittels Gravimetrie können wir etwa das Abschmelzen der Gletscher bestimmen oder den Dichtaufbau der Erde untersuchen“, sagt Leonhardt.

Material für Grundlagenforschung

Derzeit noch in Ausbauphase befindet sich der dritte Hauptteil des Conrad-Observatoriums, in dem künftig das Magnetfeld der Erde vermessen werden soll. Das etwa einen Kilometer lange unterirdische Stollensystem ist bereits fertig, es fehlen nur noch Messgeräte und Laborgebäude. Bis 2013 soll die geomagnetische Anlage in Betrieb sein. Aus einem ganz handfesten Grund: spätestens dann beginnt nämlich der nächste Sonnenfleckenzyklus. Wie durchschnittlich alle elf Jahre werden Sonnenwinde die Erde durchbeuteln, dem Auge Polarlichter schenken und möglicherweise für Ausfälle der Kommunikationsinfrastruktur sorgen. Der einzige Schutz vor dem Strahlungsschauer ist das irdische Magnetfeld, das dabei kräftig "durchgeknetet“ wird. Von diesem Phänomen versprechen sich Geophysiker jede Menge Material für Grundlagenforschung. "Die Geophysik ist eine vergleichsweise junge Wissenschaft“, sagt Roman Leonhardt. "Wir fangen erst an, unsere Erde zu verstehen.“