Erdbeben-Forschung: Am Puls der Tiefsee

Die Bewegungen sind kaum wahrnehmbar, aber sie sind da: Im geologischen Zeitlupentempo treiben die mächtigen Erdplatten aufeinander zu, um sich Millimeter für Millimeter ineinander zu verkeilen. Ganz langsam bauen sie in den dunklen Tiefen der Ozeane Spannungen auf, die sich irgendwann explosionsartig entladen werden. Wann genau, kann allerdings niemand vorhersagen. Denn die Forschungen der Seismologen folgen dem Takt der Jahreszeiten - und nicht dem Sekundenzeiger ihrer Armbanduhren.

An ihren Routinen hat sich seit Jahrzehnten nichts geändert: Vorausgesetzt das Wetter spielt mit, stechen sie regelmäßig mit ihren Forschungsschiffen in See, lassen auf offenem Meer eine Reihe von Sensoren zu Wasser und kehren Wochen oder gar Monate später zurück, um die aufgezeichneten Daten zu bergen. Das grundlegende Problem dabei: Echtzeit-Analysen können sie auf diese Weise nicht fahren. Vielmehr tappen die Meeresseismologen oft noch im Dunkeln, während sich die nächste Eruption bereits anbahnt.

Allerdings muss das nicht so bleiben: Fortschritte in der Sensortechnologie, bei optischer Kommunikation sowie bei Software zur Koordinierung des gesamten Unterwasser-Instrumentariums machen permanente Beobachtungsstationen in der Tiefsee möglich. Vor den Küsten Japans und der USA sind bereits erste Prototypen in Betrieb.

Mit dem Tsunami, der nach Weihnachten die südasiatischen Küsten verwüstete, ist auch die Arbeit der Ozeanographen und Seismologen in das öffentliche Interesse gerückt. Zwar warnen die Forscher vor zu großen Erwartungen. Die Möglichkeit, Erdbeben und Flutwellen punktgenau vorherzusagen, so betonen sie, bleibe ein sehr langfristiges Ziel. Doch das Sammeln von Echtzeit-Daten am noch weitgehend unerforschten Grund der Tiefsee werde einen Einblick in die seismischen Aktivitäten unterhalb des Meeresspiegels gewähren, den es so umfassend bisher nicht gab.

Der Schub, den die Meeresforschung durch die neuen Informationssysteme erfahren wird, so die Einschätzung, wird riesig sein. "Für die Erkundung der Ozeane werden sie genauso fundamental wichtig werden wie Satelliten für die Erforschung der Erde", sagt Frank Rack, Direktor für ozeanische Bohrprogramme der Joint Oceanographic Institutions (JOI), einem Forschungs-Konsortium in Washington.

JOI wurde im Jahr 1976 gegründet und arbeitet als Non-Profit-Vereinigung von 20 akademischen Einrichtungen, die gemeinsam an Fragen mariner Geologie, Geophysik und Ozeanographie forschen. Noch bis vor kurzem mussten die Wissenschaftler auf die Möglichkeiten verzichten, die ihren an Land arbeitenden Kollegen aufgrund permanenter Beobachtungsstationen zur Verfügung stehen: Schiffsgestützte Beobachtungen sind naturgemäß zeitlich befristet. Doch eines war allen Beteiligten klar: Um die langfristigen physikalischen chemischen und biologischen Veränderungen studieren zu können, führte an einer Beobachtungsbasis unter der Meeresoberfläche kein Weg vorbei.

Das ozeanische Bohrprogramm von JOI schloss diese Lücke, weil man laut Rack 20 seismische und hydrologische Observatorien in den Tiefen der Ozeane installieren konnte. Tausende Meter unterhalb von Normalnull wurden Löcher mit Durchmessern von bis zu einem halben Meter in den Untergrund gebohrt, in denen man Geräte zur Bewegungs-, Druck- und Temperaturmessung deponierte. Die Folge: die Qualität der Datenaufzeichnungen nahm zu. "Wir haben dort eine bessere Umgebung für Seismometer", sagt Rack. "Durch den Schutz vor Winden und Meeresströmungen können wir auch sehr feine Erschütterungen feststellen."

Allerdings arbeiten die Observatorien immer noch im Batteriebetrieb. Darüber hinaus müssen jedes Mal ferngesteuerte Roboter zu ihnen hinabtauchen, um die Daten an die Oberfläche zu transportieren. Eine Verzögerung, die die Wissenschaftler nach wie vor daran hindert, sich anbahnende Ereignisse frühzeitig zu entdecken.

Eine bessere Antwort auf ihre Probleme könnten daher die Pläne der National Science Foundation (NSF) liefern: Sie will die Unterwasser-Seismologie und andere Geowissenschaften mit drahtloser und optischer Netz-Technologie unterstützen. Die Behörde will in den kommenden Jahren 250 Millionen Dollar investieren, um ein Netzwerk aus Tiefsee-Observatorien aufzubauen, "Ocean Research Interactive Observatory Networks" oder kurz ORION genannt.

Typischerweise speichern geophysikalische Messgeräte ihre Daten so lange, bis sie von Zeit zu Zeit abgeholt oder über eine Telefon-Einwahl abgerufen werden. "Nun aber können wir ein Datennetzwerk aufbauen, in dem alle Komponenten ihre Daten von sich aus ins System einspeisen", sagt John Orcutt, stellvertretender Direktor der Scripps Institution of Oceanography und verantwortlich für die Middleware, die das ORION-System koordinieren wird.

"Eine der größten Herausforderungen dieses Projektes liegt im Umgang mit den Echtzeit-Datenströmen, die von tausenden Instrumenten erzeugt werden", sagt Orcutt. Mit solchen Aufgaben hätten die Forscher bislang kaum Erfahrungen gesammelt haben.

Doch schon jetzt sieht Orcutt Anwendungsbereiche für diese Technologie, die weit über die von der NSF finanzierte Grundlagenforschung hinausgehen. "Wir nutzen sie für die Seismologie", sagt er, "Aber sie kann auch in der Meteorologie oder der Ozeanographie zum Einsatz kommen - überall dort eben, wo Messinstrumente über große Entfernungen verteilt und ferngesteuert arbeiten. Auch für den kommerziellen Sektor fehlt es ihm nicht an Visionen. So ließen sich Sensoren am Straßenrand vergraben und dazu einsetzen, Autofahrern Verkehrshinweise und -empfehlungen zu liefern.

Auch Alan Chave, ein leitender Forscher an der Woods Hole Oceanographic Institution, unterstreicht die Bedeutung des Projektes. "Sogar die NASA, die eine Menge Instrumente auf Entfernung betreiben muss, verfügt über kein System in diesem Maßstab." Seiner Meinung nach zeichnet sich ein Paradigmenwechsel im Studium von Ozeanen und mariner Seismologie ab. Wahrscheinlich wird er noch nicht in dieser Generation Realität werden, aber vielleicht schon in der nächsten. (sma)