Wie Erdbeben entstehen und wie ihre Stärke gemessen wird

Erdbeben sind ein routinemässiges Suchthema weltweit, und das Interesse nimmt jedes Mal zu, wenn ein bemerkenswertes Erdbeben die Schlagzeilen macht. Zwei Fragen stellen sich wiederholt: Was verursacht physisch das Zittern des Bodens, und was bedeutet die danach gemeldete Magnitudenzahl wirklich? Beide Antworten stammen aus Jahrzehnten der Seismologie, die von Behörden wie dem U.S. Geological Survey (USGS) und Forschungskonsortien wie IRIS, dem Incorporated Research Institutions for Seismology, dokumentiert wurde.

Was verursacht ein Erdbeben

Nach Angaben des USGS wird ein Erdbeben durch ein plötzliches Verrutschen an einer Verwerfung verursacht. Die Erdkruste ist in grosse tektonische Platten unterteilt, die sich ständig, wenn auch langsam, bewegen. Wo Platten aufeinander treffen, führt Reibung dazu, dass ihre Kanten zusammenhalten, auch wenn die Platten weiter voranschreiten. Das USGS nennt die pazifische und nordamerikanische Platte Kaliforniens als Beispiel: Sie verschieben sich entlang der San-Andreas-Verwerfung mit rund fünf Zentimetern pro Jahr aneinander vorbei – eine Grenze, die sich über 1.050 Kilometer hinzieht und mehr als 16 Kilometer tief ist.

Während die Kanten einer Verwerfung festsitzen, bewegen sich die Platten weiter, was das Gestein auf beiden Seiten biegt und belastet. Diese gespeicherte Energie baut sich auf, bis sie schliesslich die Reibung übersteigt, die die Verwerfung zusammenhält. Wenn die Verwerfung sich „löst", springt das festsitzende Gestein in eine weniger belastete Position zurück in einem plötzlichen Rutsch, und die Energie, die gespeichert worden war, strahlt nach aussen in seismischen Wellen, die das USGS als sich ausbreitend „wie Wellen auf einem Teich" beschreibt.

Nicht jede Verwerfung verhält sich im Laufe der Zeit gleich. Das USGS stellt fest, dass sich Verwerfungen in einigen Gebieten durch ständiges Kriechen bewegen und kleine Mengen Spannung in häufigen kleineren Erschütterungen freigeben. Wo das Kriechen nicht konstant ist, kann sich Spannung über Jahrzehnte oder Jahrhunderte aufbauen, bevor sie plötzlich auf einmal freigegeben wird und ein stärkeres Erdbeben erzeugt.

Hypozentrum, Epizentrum und seismische Wellen

Der Punkt unterhalb der Oberfläche, wo ein Erdbeben beginnt, wird Hypozentrum oder Fokus genannt; der Punkt auf der Oberfläche direkt darüber ist das Epizentrum, so das USGS. Vom Hypozentrum aus reisen zwei Haupttypen von Wellen nach aussen: P-Wellen, die Gestein in der Richtung ihrer Ausbreitung komprimieren und dehnen und zuerst an Überwachungsstationen ankommen, und S-Wellen, die den Boden seitwärts bewegen und nach P-Wellen ankommen. Das USGS erklärt, dass die Zeitlücke zwischen der Ankunft dieser zwei Wellentypen an verschiedenen Seismographenstationen es Wissenschaftlern ermöglicht zu berechnen, wie weit entfernt ein Erdbeben stattgefunden hat.

Wie die Stärke heute gemessen wird

Die Stärke beschreibt die Grösse des Erdbebens an seiner Quelle; ein Erdbeben hat einen einzelnen Stärkewert, so das USGS. Dies unterscheidet sich von der Intensität, die die Erschütterungsschwere an einem bestimmten Ort misst und je nach Entfernung vom Epizentrum, Tiefe und lokalen Bodenbedingungen stark variieren kann – IRIS vergleicht die Stärke mit der Wattzahl einer Glühbirne und die Intensität mit der Helligkeit, die man in verschiedenen Entfernungen von dieser Glühbirne empfängt.

Die dem Publikum am vertrautesten Skala, die Richterskala, wurde 1934 von dem Seismologen Charles F. Richter entwickelt, so die Michigan Technological University. Sie berechnete die Stärke aus der Amplitude der grössten auf einem bestimmten Seismometertyp aufgezeichneten Welle, angepasst an die Entfernung vom Erdbeben. Das USGS erklärt, dass dieser Ansatz sehr grosse Erdbeben nicht genau misst: Manche Ereignisse werden unterschätzt, andere überschätzt.

Seismologen verwenden nun hauptsächlich die Momenten-Magnituden-Skala (Mw), die das USGS und Michigan Tech als bevorzugt beschreiben, weil sie über alle Erdbebengrössen genau funktioniert und weltweit anwendbar ist. Die Momenten-Magnituden-Skala wird von einer physikalischen Grösse namens seismisches Moment abgeleitet, berechnet als Steifigkeit des Gesteins multipliziert mit der Fläche der Verwerfung, die verrutscht ist, multipliziert mit der Strecke, um die sich die Verwerfung bewegt hat. Dieser Momentwert, geschätzt aus Seismogrammdaten und geologischen Messungen, wird dann in die öffentlich gemeldete Magnitudenzahl umgewandelt.

Warum jeder ganze Punkt so wichtig ist

Magnitudenskalen sind logarithmisch. Das USGS und Michigan Tech geben beide an, dass jeder Anstieg um eine ganze Zahl einer zehnfachen Zunahme in der von seismischen Instrumenten aufgezeichneten Bodenbewegungsamplitude entspricht und einer ungefähren 32-fachen Zunahme der freigesetzten Energie. Michigan Tech gibt anschauliche Energievergleiche: Ein Erdbeben der Stärke 1 setzt Energie frei, die ungefähr 170 Gramm TNT entspricht, während ein Erdbeben der Stärke 8 Energie freisetzt, die etwa 6 Millionen Tonnen TNT entspricht.

Stärke im Vergleich zur Intensität

Da die Stärke eine einzelne Zahl ist, die die an der Quelle freigesetzte Energie beschreibt, beschreibt sie allein nicht, wie stark eine bestimmte Stadt oder ein bestimmtes Gebäude zitterte. Die Erschütterungsschwere an bestimmten Orten wird stattdessen mit Intensitätsskalen wie der Modifizierten Mercalli-Intensitätsskala beschrieben, die das USGS in römischen Ziffern ausdrückt und die von Faktoren abhängt, darunter Entfernung vom Epizentrum, Erdbebentiefe und lokale Geologie.