Erdbebenwellen
Erdbebenwellen
1. Was sind Erdbebenwellen?
- Raumwellen
- Oberflächenwellen
2. Wie und wo entsehen Erdbebenwellen?
3. Nutzen von Erdbebenwellen
4. Was für Schäden richten die Erdbebenwellen an, und wie können diese verhindert werden?
Zu 1.) Erdebenwellen heißen auch seismische Wellen (vom griechischen Wort seismos = Erschütterung).
Seismik ist die Wissenschaft der Erdbeben. Die Erbebenwellen verlaufen in einer Tiefe von etwa 1 km bis 700 km unter der Erdoberfläche. Bei einem Erdbeben entstehen vier Arten seismischer Wellen, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen als da wären:
Raumwellen:
Die P-Wellen (Primärwellen, dies sind die Longitudinalwellen) die sich wie Schallwellen durch einen Körper, in diesem Fall die Erde ausbreiten. Sie heißen auch Kompressionswellen. Diese Wellen können sich in festen, flüssigen und gasförmigen Medien ausbreiten. Sie treten sogar in die Luft über: Geräuscherscheinungen, die von Erdbeben berichtet werden, gehen auf die P-Wellen zurück.
Sie erreichen ein Tiefe von bis zu 5.100 Kilometern. Die Geschwindig-keit der P-Wellen beträgt ca. 5 km/s.
Die S-Wellen (Sekundärwellen, dies sind die Transversalwellen) sind nur rund halb so schnell wie die P-Wellen, sie heißen auch Scherenwellen. Es sind Wellen, wie die Wellen an einem Seil oder einer Gitarrensaite.
Die S-Wellen bewegen sich ebenfalls durch das Erdinnere, können sich jedoch nur in festen Medien ausbreiten. Sie laufen bis zu einer Grenzschicht in ca. 2.900 Kilometern Tiefe.
Des weiteren entsehen bei einem Erdbeben noch Oberflächenwellen:
Die Rayleigh- Wellen benötigen für ihre Schwingungen eine freie Oberfläche, wie die Wellen auf dem Meer. Ihre Fortpflanzung erfolgt in Ellipsen auf einer vertikalen Ebene.
Sie sind nach dem Physiker John William Rayleigh (1842-1919) benannt und bewirken die vielbe-schriebene rollende Bewegung des Untergrundes bei großen Erdbeben. Die Teilchenbe-wegung bei den, nach dem englischen Physiker Augustus Edward Hough Love benannten seismischen Oberflächenwellen, erfolgt auf einer horizontalen Fläche im rechten Winkel zur Fortbewegungsrichtung. Das Gestein wird durch Love-Wellen nicht vertikal versetzt. Da sie oft über große Amplituden verfügen, richten sie durch horizontale Scherungen des Unter-grundes starke Schäden an Gebäuden an.
Oberflächenwellen breiten sich an der Erdoberfläche aus, ihre Amplitude nimmt zur Tiefe hin rasch ab. Sie treffen nach den Raumwellen ein.
Aus der Laufzeitdifferenz zwischen P- und S-Wellen lässt sich die Entfernung zum Erdbebenherd berechnen.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Materialen:
P-Wellengeschwindigkeit in km/s
Dichte in g/cm3
Erdkruste
einige km/s bis 6,7
2,7-3,0
Erdmantel
8,0-13,6
3,3-5,7
äußerer Kern
8,0-11,0
9,4-11,5
Innerer Kern
11,5
11,5-15,0
Zu 2.) Die Erdkruste ist in ein Mosaik von vierzehn großen und zahlreichen kleineren Platten zerlegt. Die Platten - angetrieben von Konvektionsbewegungen (Zusammenführungsbe-wegungen) im darunter liegenden Erdmantel - bewegen sich gegeneinander. Im Durchschnitt erreichen dabei die Geschwindigkeiten wenige Zentimeter im Jahr. Diese Bewegung erfolgt jedoch nicht reibungsfrei.
Die Gesteinspakete werden an viele Stellen gegeneinander gepresst und Unebenheiten hemmen die Bewegung. Spannungen stauen sich auf, bis das Gestein bricht und entlang der Erdbebenherd-Fläche aufreißt. Dann kann der Versatz an der Bewegungs-fläche auf einen Schlag bis zu einigen Metern betragen. Die bei diesem Aufreißen entstehen-den Erschütterungen, nennt man Erdbeben, die Erbebenherde liegen in einer Tiefe von ca. 1 km bis 700 km unter der Erdoberfläche. Diese Verschiebung der Erdplatten ist die Haupt-ursache für Erdbeben.
Es gibt täglich unzählige Erdbeben. Die meisten davon sind jedoch so schwach, dass man sie nicht spüren kann. Ab und zu jedoch werden sie so stark, dass sie Schäden anrichten. Es gibt fast jeden Tag Erdbeben mit einer Stärke größer als 5 auf der Richterskala. Sie konzentrieren sich auf die Orte, an denen Erdkrustenplatten aneinander grenzen. Da ein großer Teil der Erdbebenherde unter dem Weltmeer liegt, treten Beben häufig als Seebeben auf und werden von Schiffen auf offener See als Vertikalstöße verspürt.
Gefährlicher sind aber die seismischen Wogen, auch Tunami genannt, die von Erdbeben unterseeischer Herde ausgelöst werden. Sie bilden eine Serie von 3 bis 7 Riesenwellen mit einer Schwingungsdauer von 10 bis 30 Minuten und einer Länge bis zu 100 km. Tunami durcheilen ganze Ozeane mit einer Geschwindigkeit, die von der Wassertiefe abhängt und z. B. für 100 m Wassertiefe 31 m/s oder für 1.000 m 99 m/s beträgt.
Ihre Höhe ist auf offener See nur gering, steigert sich aber durch Aufstauungen in geringer Wassertiefe an den Küsten beträchtlich; hier nimmt die Steilheit der Welle infolge der Reibung am Grund immer mehr zu, bis eine Wasserwand von 30 bis 40 m Höhe entsteht, die infolge ihrer Geschwindigkeit große Verwüstungen anrichtet.
Zu 3.) Erdbebenwellen werden jeweils dort reflektiert, wo sich etwas verändert, beispiels-weise an einer neu beginnenden Gesteinsschicht. So sind die Erkenntnisse die bis heute über das Erdinnere vorliegen hauptsächlich aus Analyse von Erdbebenwellen gewonnen worden. Bei dieser Bestimmung des physikalischen Aufbaus der Erde gehen neben den Laufzeitkurven und der Amplitudenverteilung von Raumwellen, ebenso die Auswertung der Oberflächen-wellen mit in die Ergebnisse ein. Wenn man nun von unvermeidlichen Abweichungen der physikalischen Parameter, wie Wellengeschwindigkeiten und Dichte, die mit der Tiefe zusammenhängen, absieht, so lässt sich die Erde entsprechendend dem Geschwindigkeits-verlauf der Erdbebenwellen mit der Tiefe, einteilen.
D.h.: Bei etwa 30 Kilometern Tiefe wird eine starke Veränderung der Geschwindigkeit der Wellen deutlich. Daraus lässt sich schließen, dass unter der harten äußeren Schale, der Erdkruste, dort der obere Erdmantel beginnt. In 410 Kilometern Tiefe beginnt wieder etwas Neues. Von hier ab erstreckt sich ein Bereich im oberen Erdmantel, der Übergangszone genannt wird.
Die nächste starke Reflexion wird bei 700 Kilometern gemessen: Die Übergangszone ist zu Ende, der untere Erdmantel beginnt.
Zu 4.) Erdbebenwellen können bekanntlich große Schäden anrichten. Das diese Schäden allerdings auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sind, ist dagegen eine etwas neuere Erkenntnis. Auch bei einem Erdbeben mit kleinren Amplituden treten nämlich hohe Beschleunigungswerte auf, die anehrend den Wert der Erdbeschleunigung (9,81 m/s²) erreichen. Allerdings verschiebt sich das Maximum des Beschleunigungsspektrums mit kleiner werdender Amplitude zu immer höheren Frequenzen.
Diese richten dann mindestens ebenso große Schäden an, wie ein Erdbeben mit großen Amplituden. Als Schutz werden Gebäude leicht gebaut, aber fest, wobei fest nicht starr bedeutet, sondern bruchsicher bei gleichzeitig hoher Elastizität zur Aufnahme und allmählichen Verschluckung von Erbebenwellen und windbedingten Belastungen. In jedem Land gibt es sogenannte Erdbebenschützende Bauvorschriften. Z.B.: In den USA der „Uniform Building Code“ und in Japan die „Designvorschriften für Antierdbeben - Gebäude“.
In Japan gibt es u.a. stock-werksabhängige Lastengrößen bei Gebäuden bis 44m Höhe.
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