Das Netz der Bebenjäger - wissenschaft.de
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Das Netz der Bebenjäger

Jeder, der Internet-Anschluss hat, kann Hobby-Seismologe werden. Forscher nutzen die Bürgerhilfe, um mehr Informationen in gefährdeten Regionen zu sammeln.

Als Andres Sepulveda Anfang März 2010 sein Büro zum ersten Mal nach der Katastrophe wieder betrat, blickte er auf ein gewaltiges Chaos. Der Raum im vierten Stock des Geophysikalischen Instituts der Universität von Concepción war komplett verwüstet. Umgestürzte Regale, entleerte Schubladen, Bücher, Kartons und der Computer-Bildschirm waren kreuz und quer auf dem Fußboden verstreut. Wenige Tage zuvor, am 27. Februar, hatte in Chile das stärkste Erdbeben seit 50 Jahren gewütet: Es hatte die Magnitude 8,8. Doch der Assistenzprofessor für Ozeanographie hatte keine Augen für das Durcheinander. Er wollte nur eines: seinen Computer retten. „Ich wusste nicht, ob das Gebäude sicher war, also stürmte ich in mein Büro. Ich habe vergessen, Fotos zu machen, es ging mir nur um den Computer mit den Aufzeichnungen“, berichtet der Wissenschaftler. Auf Sepulvedas Rechner waren nicht etwa seine jüngsten ozeanographischen Forschungsarbeiten gespeichert – sondern Erdbebendaten. Mit einem kleinen Beschleunigungssensor für 50 Dollar hatte Sepulveda den fünf Jahre alten Computer zum Seismographen erweitert. Der Sensor hatte das Aufbäumen der Erdkruste, die Schwankungen des Gebäudes mitten im Herzen des Katastrophengebietes aufgezeichnet. „Ich wusste, dass es ein wichtiger Datensatz war, wenn auch vielleicht nur historisch gesehen“, sagt Sepulveda. Als erstem Teilnehmer des „Quake Catcher Network“ (QCN) war es ihm gelungen, ein starkes Erdbeben einzufangen. Freiwillige wie er, die vor allem aus Neugier und wissenschaftlichem Vergnügen Messgeräte an ihre Computer anschließen, sind zurzeit dabei, das größte seismische Netz der Welt zu knüpfen.

Stundenlanges Zucken

Mit einfachsten Mitteln erzielen sie erstaunliche Erfolge: Bereits vier Sekunden nach dem Beginn des Geruckels erkannte Sepulvedas Rechner, dass die Erschütterung ungewöhnlich stark war. Über eine Internet-Verbindung sandte er die Messwerte zum Server des QCN im kalifornischen Stanford. Nach 15 Sekunden fiel der Sensor vermutlich auf den Boden, doch er blieb intakt. Noch etwa eine Stunde lang zeichnete er das Zucken der Nachbeben auf. Dann brachen die Notstromversorgung der Universität und die Internet-Verbindung zusammen, und der Datenstrom erlosch. In Stanford, wo die Erdbebenfänger des Quake Catcher Network ihre Zentrale haben, war man zufrieden: „Wir hatten uns gefragt, ob wir bei so einem starken Beben überhaupt Informationen bekommen würden, bevor der Strom ausfällt“, sagt die Seismologin Elizabeth Cochran, eine der Gründerinnen des Netzwerks. „Doch die Aufzeichnungen sehen überraschend gut aus.“

Das QCN ist eine Initiative für verteiltes Rechnen, ähnlich dem Projekt Seti@home. Dabei stellen Freiwillige ungenutzte Zeit ihres Computers zur Verfügung, um kosmische Radiowellen nach Botschaften von Außerirdischen zu durchforsten. Beim QCN registrieren die Teilnehmer die Daten sogar selbst. Das Potenzial ist riesig: In Millionen Laptops sind serienmäßig Beschleunigungsmesser eingebaut, um die Geräte vor den Folgen von Stürzen zu schützen (siehe Kasten nächste Seite „Feinfühlige Federn“). Computer, die fest auf dem Schreibtisch stehen, können mit einem USB-Sensor von der Größe einer Streichholzschachtel aufgerüstet werden. Die Teilnehmer auf Erdbebenlauer laden sich ein Programm herunter, das die Sensoren zu Messgeräten umfunktioniert. Dann können sie Erdstöße etwa ab Magnitude 4,5 registrieren. Cochran ist damit Vorreiterin eines neuen Trends in der Erdbebenforschung. Immer mehr Seismologen setzen auf Bürgerbeteiligung. Zum einen, um kostengünstig an Erdbeben- daten zu kommen, zum anderen, um die Betroffenen schnell zu informieren: Viele, die ein Beben erlebt haben, schauen zuerst im Internet nach, was passiert ist. Und die ersten Informationen, die eintreffen, kommen meist nicht von Instrumenten, sondern von Augenzeugen. Zudem sind viele Menschen gern bereit, zur Erforschung von Naturkatastrophen beizutragen. Viele brennen geradezu darauf, ihre Beobachtungen mitzuteilen. Dank Internet und sozialer Netze können Seismologen Augenzeugen viel einfacher als Datenquelle nutzen als früher. „Menschen sind ja in gewissem Sinn selbst Erdbebensensoren“, sagt Jochen Zschau, Wissenschaftler am Geoforschungszentrum Potsdam. „Und je mehr Menschen ein Beben miterleben, desto mehr Informationen bekommt man.“

Der Einsatz der Laien-Seismologen kann ganz unterschiedlich sein. Beim Projekt „Netquakes“ des geologischen Dienstes der USA (USGS) ist die Spende von einigen Quadratdezimetern Fußboden gefragt. Hunderte von US-Bürgern in San Francisco und Seattle stellen zurzeit ihre Garagen oder Geschäftsräume als Standort für neue Seismographen zur Verfügung. Seit 2009 schrauben USGS-Mitarbeiter die etwa Schuhkarton großen Geräte am Boden fest. Den Strom, um sie zu betreiben, und den Zugang zu einer Breitband-Internet-Verbindung stellen die Hausbesitzer bereit. Die aufgezeichneten Daten sind auf der Homepage des USGS zu sehen. Ein Ziel der Messungen ist es festzustellen, wie Häuser in verschiedenen Bezirken auf seismische Wellen reagieren, um die Standards für erdbebensicheres Bauen zu verbessern, berichtete James Luetgert vom USGS auf einer Tagung.

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Auf der beliebten Internet-Seite „Did you feel it?“ des USGS kann jeder, der irgendwo auf der Welt ein Erdbeben miterlebt hat, seine Beobachtungen detailliert schildern. Wie hörte sich das Beben an? Wurden die Menschen aus dem Schlaf gerissen und liefen nach draußen? Klirrten nur die Gläser, oder fielen die Bücher aus dem Regal? Selbst bei schwachen Erdstößen mit einer Magnitude unter 3 gehen manchmal innerhalb von wenigen Stunden Hunderte Berichte ein, aus denen der USGS eine Karte der gefühlten Intensität erstellt.

Gezielte Suche im Gezwitscher

Auch Teilnehmer des Internet-Kurznachrichtendienstes Twitter (deutsch: „Gezwitscher“) können unbemerkt zu Informanten werden: Ein Programm des Geophysikers Paul Earle, ebenfalls am USGS, sucht ständig nach Botschaften, in denen das Wort „Erdbeben“ oder verwandte Begriffe in verschiedenen Sprachen vorkommen. Schon nach mittelstarken Beben schießt die Zahl der Erdbeben-Tweets nach oben.

Indem sie die Bürger zu Hilfswissenschaftlern machen, erreichen die Seismologen ein wichtiges Ziel: Sie schärfen das Bewusstsein für die Gefahr in Erdbebenregionen. Für Jochen Zschau ist der Ansatz daher brillant: „Es ist ein ganz wichtiger Punkt, die Menschen zu sensibilisieren“, sagt der Geophysiker. Auch QCN-Gründerin Elizabeth Cochran sieht in der Vorsorge eine wichtige Aufgabe. Die Kalifornierin ist häufig in Schulen unterwegs, wo sie Sensoren installiert und den Kindern erklärt, was bei einem Erdbeben passiert. „Wir hoffen, dass die Teilnehmer unseres Netzwerks – vor allem Schüler in Klassenräumen mit einem Sensor – besser auf Erdbeben vorbereitet sind“, sagt die junge Forscherin. Andres Sepulveda in Chile ist inzwischen ebenfalls aktiv geworden. „Ich versuche, Geld für ein Projekt aufzutreiben, um Sensoren in Schulen zu installieren und die Schüler über Seismologie und Erdbeben zu informieren“, berichtet er. Hundert USB-Sensoren, die Cochran im März nach Chile schickte, um Nachbeben zu registrieren, waren im Nu unters Volk gebracht.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Seismologen ist es, bei einer Katastrophe besser Bescheid zu wissen. Dabei helfen die Daten, die Laptop-Sensoren, Tweets oder Augenzeugen beisteuern. Denn ein großes Problem der Seismologie besteht darin, dass das Netz aus Messstationen ziemlich löcherig ist. Die Erdbebenforscher würden gern Tausende Sensoren in gefährdeten Ballungszentren aufstellen, um bei einer Erdbebenkatastrophe sofort detaillierte Informationen über die mögliche Verwüstung in jedem Stadtviertel zu erhalten. Doch zurzeit sind meist nur wenige oder gar keine der – teuren – Seismographen direkt in der betroffenen Region. „ Seismologen können zwar schnell die Magnitude eines Erdbebens bestimmen. Aber aus ihr lässt sich nicht unbedingt ableiten, wie stark die Erschütterungen waren“, sagt Cochran. Denn der Schaden, den ein Beben anrichtet, hängt zum Beispiel davon ab, ob der Untergrund aus festem Gestein oder lockerem Sediment besteht. „ Solche lokalen Effekte können die seismischen Wellen um den Faktor 10 verstärken“, erklärt der Potsdamer Geophysiker Jochen Zschau.

Zweifelhafte Schüttelkarten

Mittlerweile stellen US-Seismologen direkt nach einem Erdbeben „Shake Maps“ (übersetzt etwa: „Schüttelkarten“) her, um die Schäden schnell abschätzen zu können. Doch wenn diese Karten aus den wenigen gemessenen Daten extrapoliert werden, kann ein völlig falsches Bild entstehen. Das Northridge-Beben, das sich am 17. Januar 1994 in der Nähe von Los Angeles ereignete, ist ein Beispiel dafür. Elizabeth Cochran erklärt: „Alle nahmen an, dass sich die Zerstörung in der Nähe des Epizentrums in Northridge konzentrieren würde. Es gab aber auch unerwartet starke Schäden im 21 Kilometer entfernten Santa Monica.“ Später fanden Seismologen heraus, dass Gesteinsstrukturen im Untergrund die seismischen Wellen wie eine Linse fokussiert hatten. Mit dem QCN könnte man solche Überraschungen vermeiden, ist Cochran überzeugt: „Wenn man Tausende von Seismometern etwa im Becken von Los Angeles verteilen würde, könnten die Rettungsdienste ihre Kräfte besser dirigieren.“ Besonders in weniger entwickelten Ländern sieht Cochran ein großes Potenzial für ihr Netz: „Denn dort kann man sich herkömmliche Seismographen oft nicht leisten.“ Die Forscherin kooperiert daher mit regionalen Initiativen in Kolumbien und Mexiko.

Auch in Erdbebenfrühwarnsystemen, an denen viele Seismologen weltweit arbeiten, könnten die QCN-Daten einfließen. Diese Systeme nutzen die Tatsache aus, dass Erdbebenwellen langsamer sind als Funksignale. Wenn ein Erdbeben von einem Seismographen identifiziert wird, schlägt ein solches System über Radio, Fernsehen, Internet und Mobilfunk sofort Alarm. Menschen, die sich nicht direkt am Epizentrum befinden, gewinnen dadurch ein paar Sekunden Zeit, um sich in Sicherheit zu bringen, bevor die zerstörerischen Bebenwellen ankommen. In Japan gibt es bereits seit 2007 ein solches Frühwarnsystem, in Kalifornien ist man noch in der Versuchsphase. Cochrans Idee: Je mehr Sensoren sich in der Nähe des Epizentrums befinden, desto schneller und zuverlässiger ist die Warnung. Freilich ist das Quake Catcher Network derzeit noch nicht ausgereift. Das Computerprogramm muss vor allem noch lernen, die zahlreichen durch irgendwelche Stöße ausgelösten Falschmeldungen auszusortieren.

Billig-Sensoren genügen

Die Qualität der Daten ist zudem wesentlich schlechter als bei traditionellen Breitband-Seismographen, die selbst schwache Erdbebensignale vom anderen Ende der Welt auffangen können. „ Unsere Daten enthalten mehr Störanteile, da die Messgeräte in Schulen, Büros oder Wohnhäusern stehen“, sagt Cochran. „Aber dieser Nachteil lässt sich durch die große Zahl der Sensoren kompensieren.“ Für den Katastrophenschutz reichen die billigen Sensoren aus, räumt auch der Seismologe Jochen Zschau ein: „Sie sollen ja vor allem die kräftigen Schwingungen eines Starkbebens auffangen. Klassische Seismographen decken dagegen alle möglichen wissenschaftlichen Fragestellungen ab.“ Zschau hegt allerdings Zweifel, ob Sensoren, die während eines Erdbebens durchs Zimmer hüpfen, sinnvolle Messwerte liefern. „Ein Sensor, der lose auf einem Schreibtisch liegt und einer, der fest mit dem Fußboden verankert ist, messen völlig unterschiedlich. Da können starke Verzerrungen auftreten.“

Auch wenn wissenschaftliche Analysen mit den QCN-Daten schwierig sein könnten: Soziale Netze liefern bei einer Katastrophe rascher Informationen als alle anderen Kanäle, berichtete Paul Earle, der Initiator des Twitter-Projekts, im Fachmagazin „Nature Geoscience“: „Nach dem verheerenden Erdbeben von Sichuan in China im Mai 2008 gehörten Twitter-Botschaften zu den ersten öffentlich zugänglichen Augenzeugenberichten.“ Auch sonst ist Twitter meist schneller als die Seismologen. Viele Betroffene melden binnen Sekunden, dass sie ein Beben miterlebt haben. Es soll durch Twitter sogar schon gelungen sein, Menschen rechtzeitig vor einem Erdbeben zu warnen – woran Seismologen beim japanischen Frühwarnsystem jahrzehntelang gearbeitet haben. Der USGS braucht zwischen 2 und 20 Minuten, um erste offizielle Informationen im Internet bereitzustellen. Earles Programm USGSTed, das Tweets in verschiedenen Sprachen nach dem Wort „ Erdbeben“ und verwandten Begriffen durchsucht, soll diese Lücke füllen.

Hilferuf mit Hashtags

Im Chaos nach einer Katastrophe kann sich Twitter zu einer wichtigen Kommunikationsplattform entwickeln. Im Forschungsprojekt EPIC (Empowering the Public with Information in Crisis) haben Informatiker der University of Colorado in Boulder untersucht, wie sich soziale Netze bei einer Krise nutzen lassen. Eine Frucht des Projekts ist eine spezielle Syntax für Twitter-Botschaften. Die Informatikerin Kate Starbird hatte die Idee, wichtige Kennwörter mit einer Markierung zu versehen, einem „Hashtag“ (dem Rautenzeichen #). Ein Beispiel: Der Hilferuf nach Antibiotika für 100 Menschen im Zentralkrankenhaus von Port au Prince könnte folgendermaßen aussehen: „#haiti #need antibiotics #num 100 people #loc General Hospital PAP #contact 1234–12345″. Solche Botschaften können von Maschinen gelesen und kategorisiert werden. Hilfsdienste können dann aus der Flut von Twitter-Botschaften die relevanten Nachrichten herausfischen. „ Twitter und andere soziale Netze bieten eine kostengünstige Möglichkeit, Katastrophenwarnungen weiterzuleiten“, nennt Paul Earle einen der Vorteile der seismologischen Bürger-Initiativen: Sie sind äußerst preiswert.

Das Programm USGSTed etwa habe weniger gekostet als die Installation eines einzigen Breitband-Seismometers. Auch die Erdbebenfänger vom QCN müssen keine hohen Beträge für Sensoren und Infrastruktur aufbringen. Die freiwilligen Teilnehmer installieren die Software, schließen die Sensoren an und stellen ihre Internet-Verbindung zur Verfügung. Zur Freude von QCN-Gründerin Cochran spendet die Internet-Gemeinde ihre Rechen- und Arbeitszeit gerne. Gut 1000 Teilnehmer sind durchschnittlich jeden Monat am Netz, die meisten davon in Kalifornien, aber auch anderswo in der Welt. „Wir waren sehr überrascht, wie schnell die Nutzer uns gefunden haben – ohne dass es viel Werbung gab“, berichtet Cochran.

In Deutschland, das nur selten von schweren Erdbeben heimgesucht wird, sind pro Monat im Schnitt 200 Freiwillige aktiv. „Das QCN ist etwas Außergewöhnliches“, begründet Werner Klein aus dem südbadischen Rheinfelden sein Engagement. Der Landwirt ist in mehreren Projekten für verteiltes Rechnen aktiv, doch beim Quake Catcher Network hatte er sein bislang aufregendstes Erlebnis: Am 5. Mai 2009 saß er nachts um halb vier noch am PC. „Plötzlich gab es draußen einen Riesenkrach, die Blätter der Zimmerpflanzen wedelten hin und her“, erinnert er sich. „Erst dachte ich, es hätte einen Unfall in der Chemiefabrik unten am Rhein gegeben, aber dann fing alles zu schwanken an.“ Klein hatte ein Erdbeben im zehn Kilometer entfernten Lörrach eingefangen, Magnitude 4,5. Bei Seti@home macht der Hobby-Seismologe nicht mehr mit. Das 1999 gegründete Projekt konnte bislang keine einzige Alien-Nachricht identifizieren. Das QCN hat eine deutlich bessere Trefferquote. Seit dem Start der Testversion Anfang 2008 gingen schon über 50 Beben ins Netz. ■

Ute Kehse würde sich gerne beim „Erdbebenfangen“ beteiligen, doch ihr Wohnort Delmenhorst liegt weitab von allen Bebenzonen.

von Ute Kehse

Mehr zum Thema

Quake Catcher Network: qcn.stanford.edu

Projekt Epic (Empowering the Public with Information in Crisis): twitter.com/epiccolorado

Soziale Medien beim USGS: www.usgs.gov/socialmedia

Webseite „Did you feel it?“: earthquake.usgs.gov/earthquakes/dyfi

Feinfühlige Federn

Sie sind in Airbags, Handys, Laptops und Fernbedienungen der Spielekonsole Wii zu finden: Miniaturisierte, kostengünstige Beschleunigungssensoren – sogenannte MEMS-Sensoren (Mikro-elektro-mechanische Systeme). Eine winzige Silizium-Feder darin registriert Beschleunigungen in zwei oder drei Raumrichtungen und gibt diese Daten in elektronischer Form weiter.

Kompakt

· Tausende Computer von Freiwilligen fangen weltweit seismische Erschütterungen ein und senden die Daten per Internet an eine Zentrale in Kalifornien.

· Forscher suchen in Twitter-Meldungen nach Hinweisen auf Erdbeben.

· Wenn Hilfsdienste schneller über die regionale Verteilung und das Ausmaß der Schäden Bescheid wissen, können sie die betroffenen Menschen rascher erreichen.

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