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Das Flüstern vor dem Beben

Unter Druck tun Gesteine die merkwürdigsten Dinge: Sie werden zu Halbleitern, ionisieren die Luft und beginnen zu leuchten. Könnten diese Phänomene etwas mit bislang unerklärlichen Erscheinungen vor Erdbeben zu tun haben?

Es war ein einfaches Experiment, das Friedemann Freund und seine Kollegen im geophysikalischen Labor der Carnegie Institution in Washington D.C. machten. Die Forscher setzten einen vier Pflastersteine großen Granitquader in eine 1500-Tonnen-Presse. Ab einer Belastung von rund 150 Tonnen nahm eine hoch empfindliche Infrarot-Kamera diffuse Strahlung im mittleren Infrarot-Bereich von der Oberfläche und – besonders stark – von den Ecken und Kanten des Quaders auf. Zudem lud sich die Oberfläche elektrisch auf. Besonders eigenartig: Als die Forscher einen zweiten Stein so an das gequetschte Exemplar lehnten, dass beide sich in einem Punkt berührten, leuchtete auch er im infraroten Licht auf. Kurz bevor das Gestein bei 800 Tonnen dem Druck der Presse nachgab und zerbrach, fing der Block sogar im sichtbaren Licht an zu leuchten: Die Forscher beobachteten helle Lichtblitze, die hin und her sprangen und schnell wieder verschwanden. Für Friedemann Freund waren all diese Phänomene kaum überraschend, sondern eine Bestätigung für seine 20 Jahre alte Theorie. Sie ist in Fachkreisen umstritten, hätte jedoch eine große Bedeutung für die Vorhersage von Erdbeben, wenn sie sich als wahr herausstellen würde. Schon seit Jahrzehnten ist der Physik-Professor von der San Jose State University ungewöhnlichen elektrischen Ladungsträgern auf der Spur, die ein Gestein vom Isolator zum Halbleiter machen können. Nach Freunds Erkenntnissen sind die Ladungsträger einfach negativ geladene Sauerstoff-Anionen, die anstelle der gewöhnlichen, doppelt negativ geladenen Atome im Kristallgitter eingebaut sind. Die einfach negativ geladenen Sauerstoff-Anionen verhalten sich physikalisch gesehen wie Defekt-Elektronen oder „Löcher“ in einem Halbleiter, da ihnen ein Elektron fehlt, um ihre Valenzschale zu füllen. (Valenzschalen haben die größte Entfernung vom Atomkern. Die Elektronen dort besitzen die geringste Bindungsenergie.) Ins Gestein hinein kommen diese hochreaktiven Sauerstoff-Anionen nach Freunds Theorie, wenn das Magma, aus dem die Gesteine erstarren, mit Wasser gesättigt ist. Dieses Wasser wird zunächst als Hydroxyl(OH-)-Ionen in das Kristallgitter verschiedener, an sich wasserfreier Minerale eingebaut. „Beim Abkühlen arrangieren Paare dieser Hydroxyl-Ionen ihre Elektronen so um, dass Wasserstoff (H2) abgespalten wird und so genannte Peroxy-Bindungen übrig bleiben, die aus zwei einfach negativ geladenen Sauerstoff-Anionen bestehen“, erläutert Freund. Die Peroxy-Bindungen seien „schlafende“ Ladungsträger, die sich zunächst elektrisch neutral verhalten. „Durch Druck, akustische oder seismische Wellen oder erhöhte Temperatur können die Peroxy-Bindungen zerbrechen.“ Die dabei entstehenden positiven Ladungsträger sind Freund zufolge gut beweglich. Wenn benachbarte Sauerstoff-Atome Elektronen austauschen, können die Löcher mit bis zu 300 Metern pro Sekunde durchs Gestein flitzen. Grenzen zwischen einzelnen Mineralkörnern oder verschiedenen Gesteinen halten sie nicht auf, wie die Experimente in Washington gezeigt haben. Auch wenn diese Ladungsträger in 10 bis 20 Kilometer Tiefe freigesetzt werden, könnte ein Teil von ihnen die Erdoberfläche erreichen und sie positiv aufladen. „Wenn zwei ‚Löcher‘ sich dort wieder zu einer Peroxy-Bindung zusammentun, wird Energie frei, die im Infrarot-Bereich abgestrahlt wird“, ist Freund überzeugt. Die sichtbaren Lichtblitze werden laut Freund durch einen anderen Effekt erzeugt. An der Grenze zwischen der positiv geladenen Gesteinsoberfläche und der Luft könnten sich so hohe elektrische Felder aufbauen, dass es zu Entladungen kommt – ähnlich den Glimmentladungen in einer Fluoreszenzröhre. Was Freunds kühne Theorie interessant macht, ist ihr möglicher Zusammenhang mit Erdbeben. Denn Tage oder Stunden, bevor die Erdkruste zerreißt, geschehen manchmal ebenfalls merkwürdige Dinge: Tief in der Erde sinkt der elektrische Widerstand des Gesteins. Manchmal geht von Hügeln und Bergzügen ein geisterhaftes Leuchten aus. Rund hundert Kilometer über der Erdoberfläche wölbt sich lokal die Atmosphäre nach oben. Piloten sowie Amateurfunker berichten über Störungen des Funkverkehrs. Außerdem lassen Satellitendaten manchmal eine rätselhafte Infrarot-Emission erkennen, die auf ein anomales Erwärmen des Erdbodens hinzudeuten scheint. Auch andere Vorboten wie Radon-Emissionen, veränderte Brunnenpegel, aufgeregte Tiere und eine Veränderung der Mikroseismizität wurden schon beobachtet. Alle diese Phänomene sind dokumentiert, aber trotzdem teilweise umstritten. Manche Forscher – wie der Seismologe Robert Geller von der Universität Tokio – bezweifeln sogar, dass solche Vorläufer überhaupt existieren: „Die angeblich anomalen Phänomene werden immer erst nach einem Beben als Vorläufer angeführt“, kritisierte Geller im Fachblatt „Science“. Andere Forscher wollen die Existenz der von Freund und anderen aufgezählten Vorboten nicht ausschließen. „Da ist prinzipiell was dran, die Berichte kann man nicht ignorieren“, sagt etwa Klaus Klinge vom Seismologischen Zentralobservatorium in Gräfenberg. Einem Kritikpunkt Gellers könnte Freunds Theorie nun den Boden entziehen: „Es gibt keinen physikalischen Mechanismus, der die angeblichen Vorläufer mit den Erdbeben verbindet“, beanstandete Geller. Die Theorie von den „positiven Löchern“, kann, wenn sie denn stimmt, nicht nur die Infrarot-Emissionen deuten, sondern praktisch alle elektromagnetischen Erdbeben-Vorboten. Bislang wurde spekuliert, dass Flüssigkeit in den Gesteinsporen für messbare Veränderungen des elektrischen Widerstands vor Erdbeben verantwortlich ist – doch thermische Anomalien oder Beulen in der Ionosphäre können fließende Porenwässer kaum hervorrufen. Freunds Vorstellung davon, was im Erdboden abläuft, sieht so aus: Die Peroxy-Bindungen werden aufgebrochen, wenn die Gesteine in der Tiefe verformt werden und Versetzungen im atomaren Bereich entstehen, die durch das Kristallgitter der Minerale wandern. Die dabei freigesetzten positiven Löcher stoßen sich ab und fließen als elektrischer Strom durchs Gestein. Ein Teil von ihnen erreicht die Erdoberfläche, die sich wie jener Granitblock in der Carnegie Institution positiv auflädt. Das positive Erdpotential, das sich offenbar über tausende von Quadratkilometern ausbreitet, drückt die positiv geladene unterste Schicht der Ionosphäre nach oben. Dort vernichten hochenergetische Elektronen aus dem All die positive Ladung. Sie können in die obere Atmosphäre eindringen und die Nachrichtenübertragung mit Radiowellen stören. Tatsächlich beobachteten Wissenschaftler der Stanford University einige Tage vor dem Loma-Prieta-Beben 1989 in Kalifornien niederfrequente elektromagnetische Emissionen aus dem Erdboden. Vor dem Kobe-Beben 1995 wurden ebenfalls solche Signale aufgespürt. Sie sind nur durch gewaltige elektrische Ströme in der Erdkruste erklärbar. Der französische Satellit Demeter soll demnächst systematisch nach solchen Emissionen suchen, die auf kommende Erdbeben hinzudeuten scheinen. Die Veränderungen in der Ionosphäre sind unter anderem durch Messungen in Taiwan belegt. Jann-Yang Liu von der National Central University in Chung Li berichtete, dass bei mehr als 120 von fast 150 Erdbeben mit mindestens der Stärke 5,5 auf der Richter-Skala eine charakteristische Verschiebung der Ionosphäre nachweisbar war – besonders deutlich vor dem schweren Chi-Chi-Beben im September 1999. Die umstrittenen Erdbebenlichter, die Freund mit elektrischen Glimmentladungen deutet, könnten eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung zur Folge haben – was auch die Funkstörungen im Kurzwellenbereich erklären würde. Am aussagekräftigsten für künftige „Erdbeben-Wetterberichte“ könnten jedoch die thermischen Anomalien sein, die chinesische und russische Forscher seit über zehn Jahren mit NOAA-Wettersatelliten beobachten. Sie entstehen Freund zufolge durch den gleichen Effekt wie die Infrarotstrahlung der Granitquader: durch Rekombination von zwei Löchern. Dimitar Ouzounov vom Goddard Space Flight Center der NASA stellte zusammen mit Freund auf der Frühjahrstagung der American Geophysical Union im Mai 2002 in Washington als Beispiel Satellitenbilder vom verheerenden Erdbeben am 26. Januar 2001 in der indischen Provinz Gujarat vor. Eine thermische Anomalie war dort ab dem 21. Januar zu erkennen und verschwand am 28. Januar, zwei Tage nach dem Beben. Und das, obwohl hier die oberen zwei bis drei Kilometer aus Sediment, nicht aus Granit bestanden. Die französische Weltraumagentur Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) berichtet von den Bemühungen chinesischer Forscher um Cui Chengyu vom Institute of Remote Sensing Application in Peking, Erdbeben mit Hilfe des erwärmten Erdbodens vorherzusagen. Die Chinesen nehmen an, dass ein Beben umso stärker wird, je größer die Anomalie ist, und dass sie sich im Laufe der Zeit auf das künftige Epizentrum zu bewegt. Von westlichen Forschern wurden die chinesischen Vorhersage-Versuche bislang meist belächelt oder sogar scharf kritisiert. Doch mittlerweile widmen sich auch Fernerkundungsexperten des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA dem Effekt. „Systematische Untersuchungen verlangen viel Arbeit und einen immensen Computeraufwand. Da stehen wir noch ganz am Anfang“, sagt Freund. Kollegen beurteilen Freunds Theorie unterschiedlich. Der Seismologe Jochen Zschau vom Geoforschungszentrum Potsdam hält den neuen Ansatz für vielversprechend. „Freunds Thesen sind sicherlich nicht Mainstream, aber er ist seriös und hat einen sehr guten Hintergrund“, sagt Zschau, beurteilt die Theorie aber vorsichtig: „Ob im Erdboden die gleichen Prozesse wie im Labor ablaufen, muss sich zeigen.“ Der Tübinger Gesteinsphysiker Hans Keppler will nicht ausschließen, dass Freund bei seinen Versuchen bislang unbekannte Phänomene entdeckt hat. „Das ist ein Gebiet, auf dem wenig Leute arbeiten“, sagt Keppler. Die Theorie von den positiven Löchern hält er jedoch für völlig abwegig: „Bislang konnte noch niemand diese Peroxy-Bindungen experimentell nachweisen. Für mich ist das ein Hirngespinst.“ Freund, der seit über 20 Jahren mit Gutachtern seiner Artikel über die Existenz der Peroxy-Bindungen streitet, sieht sich durch neue, noch unveröffentlichte Ergebnisse des JPL zu den thermischen Anomalien bestätigt. „Es gibt meines Wissens keine physikalische oder spektroskopische Methode, die Peroxy-Bindungen im atomaren Bereich sichtbar zu machen“, räumt der Forscher ein. „Es wurden aber inzwischen etwa zehn voneinander unabhängige Indizien für ihre Existenz gefunden.“ Schon in den Siebzigern entdeckte Freund eine Reihe auffälliger Veränderungen beim Erhitzen von Magnesiumoxid-Einkristallen, die er auf Peroxy-Anionen zurückführte. So änderte sich der Brechungsindex sprunghaft, die Dielektrizitätskonstante stieg an und das diamagnetische Mineral wurde paramagnetisch. Die zur Oberfläche gewanderten Löcher, also die Bildung hochreaktiver Sauerstoff-Anionen, konnte er durch eine Reaktion mit Methan nachweisen. Bei den jüngsten Experimenten an Granitblöcken deuteten die hohe Oberflächenladungsdichte, die Infrarotstrahlung, die Emission von Ionen und elektromagnetischen Wellen auf das Vorhandensein der Freundschen Ladungsträger hin. „Ich fühle mich jetzt sicherer als je zuvor, dass ich 20 Jahre lang keiner Täuschung nachgejagt bin, sondern einem realen physikalischen Effekt, der allerdings sowohl experimentell als auch theoretisch recht kniffelig ist.“

Kompakt

Elektrische Ladungsträger im Gestein könnten die Erdoberfläche aufladen und so Warnsignale vor Erdbeben liefern. Mit Experimenten im Labor und Satelliten-Messungen sind Forscher weiteren verräterischen Sekundäreffekten auf der Spur.

Ute Kehse

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