Die Wellenspäher von Hamburg

Der Begriff stammt aus dem Japanischen und ist dennoch im deutschen Sprachgebrauch längst verankert: „Tsunami“. Übersetzt bedeutet das Wort so viel wie „Hafenwelle“ – eine zugegebermaßen beschauliche Umschreibung für gewaltige Wassermassen, die Küstenregionen überrollen und Menschenleben fordern. Erst im September dieses Jahres traf ein Tsunami den pazifischen Inselstaat Samoa, eine andere Flutwelle richtete auf der indonesischen Insel Sumatra schwere Verwüstungen an.

Vulkanausbrüche, Hangrutschungen, selbst Kometen-Einschläge können Tsunamis auslösen. Im Allgemeinen sind jedoch Seebeben die Ursache. Aber nicht jedes Beben erzeugt eine Flutwelle. Gegenwärtige Frühwarnsysteme werten daher eine Vielzahl von Parametern aus, um einen Tsunami möglichst zuverlässig erkennen zu können. Die Messdaten stammen beispielsweise von Messbojen und Unterwassersensoren. Meeresforscher der Universität Hamburg verfolgen einen anderen Ansatz: Unter dem Motto „WeraWarn“ arbeiten sie gemeinsam mit einem Partnerunternehmen an einem „Wellen-Radar“, das Bewegungen der Meeresoberfläche überwacht. Das Projekt wird im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN gefördert.

Bewährte Technik

Die Hamburger Wissenschaftler knüpfen mit ihren Arbeiten an das bestehende Radarsystem WERA (die Abkürzung steht für WEllen RAdar) an. Es erfasst den Wellengang sowie Strömungen an der Meeresoberfläche. Neben Forschungszwecken dient das System beispielsweise der französischen Marine dazu, die Ausbreitung von auf dem Meer treibenden Ölteppichen vorherzusagen. „Wir testen, ob dieses Verfahren auch als Teil eines Frühwarnsystems infrage kommt“, so Detlef Stammer, Projektkoordinator am Institut für Meereskunde der Universität Hamburg. „Ein sich auftürmender Tsunami erzeugt Strömungen. Dieses Strömungsmuster, das sich in Küstennähe ausbildet, ist unser Anknüpfungspunkt. Die Frage ist nun, ob sich dieses Muster aus dem allgemeinen Geschehen an der Wasseroberfläche herausfiltern lässt.“

Letztlich verfolgen diese Arbeiten ein Ziel: Die Zuverlässigkeit von Tsunami-Warnungen zu verbessern. Denn bestehende Frühwarnsysteme reagieren bisweilen überempfindlich: Sie schlagen auch dann Alarm – was mitunter umfangreiche Evakuierungsmaßnahmen zur Folge hat – wenn sich keine Flutwelle der Küste nähert. „Uns geht es darum, festzustellen, ob wirklich ein Tsunami kommt“, sagt Stammer.

Wellen reiten auf dem Wasser

Zentrale Komponente des Messsystems sind diverse Stab-Antennen, die über eine Strecke von etwa 200 Metern längs der Küste postiert sind. Die Anlage emittiert elektromagnetische Wellen und empfängt auch das Echo, das diese Wellen bei Reflektion an der Wasseroberfläche erzeugen. Die Reflexionen sind immer dann besonders stark, wenn die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle und der Abstand der Wellenberge auf der Wasseroberfläche in einem ganz bestimmten Zahlenverhältnis zueinanderstehen. Man spricht von „Bragg Effekt“. Aus dem zurückgestreuten Signal können die Forscher dann neben der Höhe der Wasserwellen auch die Geschwindigkeit und die Richtung von Meeresströmungen ermitteln. Das ist ähnlich wie bei „Radar-Fallen“, mit denen die Verkehrspolizei Tempo-Sündern nachspürt.

Antennen-Anlage des Wellen-Radars WERA an der bretonischen Küste (Foto: Thomas Schlick)

Der Aktionsradius des Wellen-Radars ist jedoch ungleich größer. „Wenn wir einen Tsunami rechtzeitig entdecken wollen, dann sollte das System durchaus 250 Kilometer weit gucken können“, meint Klaus-Werner Gurgel, der ebenfalls am Hamburger Institut für Meereskunde arbeitet. Entscheidend für die Reichweite ist die Wahl der passenden Sendefrequenz. Das System arbeitet daher mit elektromagnetischen Wellen im Megahertz-Bereich. Im Fachjargon spricht man auch vom „Hochfrequenz-Bereich“ und dementsprechend von einem „HF-Radar“. Außerdem bedienen sich die Wissenschaftler eines besonderen Phänomens. „Wir nutzen die sogenannte Bodenwelle“, erläutert Gurgel. „Solche Wellen bewegen sich entlang einer leitenden Schicht. Das ist in diesem Fall das salzige Wasser des Ozeans. Die elektromagnetische Welle klebt gewissermaßen an der Meeresoberfläche und breitet sich somit bis weit hinter den Horizont aus.“

Bremsklotz Schelfkante

Die Ursache eines Tsunami hingegen spielt sich meist tief unter dem Meeresgrund ab: Es ist ein Beben, das den Boden des Ozeans erschüttert und damit auch die darüber liegenden Wassermassen in Schwingung versetzt. Diese Störung breitet sich mit der Geschwindigkeit eines Düsenjets in alle Himmelsrichtungen aus. Auf hoher See kaum bemerkbar, kann sie sich in Küstennähe zu einem Tsunami auftürmen. Der Vorgang setzt im Bereich der Schelfkante ein, wo die Tiefsee in flache Küstengewässer übergeht und der Meeresboden zunehmend ansteigt. Die Hamburger Forscher setzen darauf, einen anrückenden Tsunami bereits zu diesem Zeitpunkt und damit möglichst weit vor der Strandlinie erkennen zu können. An der Schelfkante verliert die sich im Wasser ausbreitende Störung an Geschwindigkeit. „Doch die Energie muss ja irgendwo hin“, sagt Gurgel. „Das bedeutet, dass Strömungen in der gesamten Wassersäule angeregt werden. Die sehen wir dann auch an der Oberfläche.“

Kurze „Integrationszeiten“ gefragt

Um derlei Wasserbewegungen nachweisen zu können, müsse das aktuelle Wellen-Radar insbesondere hinsichtlich der „Integrationszeiten“ modifiziert werden, berichten die Hamburger Forscher. Dabei geht es um jene Zeitspanne, während der das System Messdaten mittelt. „Ein Ergebnis von WeraWarn ist die maximal möglich Integrationszeit, um einen Tsunami überhaupt noch erkennen zu können“, so Gurgel. „Wenn wir in der Ozeanografie Strömungen messen, nehmen wir neun-Minuten-Mittelwerte. Beim Seegang mitteln wir typischerweise über 18 Minuten. Für den Tsunami jedoch müssen wir runter auf zwei Minuten. Die Welle läuft ja sehr schnell. Mitteln wir zu lange, werden die Strukturen, die sich an der Meeresoberfläche abbilden, einfach verschmiert.“

Vorwarnzeit

Vorausgesetzt der Tsunami würde an der Schelfkante erkannt, wie viel Zeit würde verstreichen, bis die Welle die Küste erreicht? Die Forscher haben sich auch mit dieser Frage befasst. Sie ist von zentraler Bedeutung für die „Vorwarnzeit“, das ist jene Zeitspanne, die der Bevölkerung bliebe, um sich in Sicherheit zu bringen. Die Geschwindigkeit eines Tsunami in Küstennähe hängt ab von der Struktur des Schelfs sowie von der Entfernung zwischen Schelfkante und Küste. Für eine Modellrechnung haben die Hamburger Wissenschaftler die Schelfkante 100 Kilometer vor die Küste verlegt und die Wassertiefe – beginnend bei 200 Metern Tiefe – in Richtung Strandlinie kontinuierlich ansteigen lassen. „Unter diesen Voraussetzungen haben wir eine Laufzeit von 40 bis 45 Minuten“, berichtet Gurgel.

Stand der Entwicklungen

Konkrete Pläne für einen Testbetrieb gibt es noch nicht. Doch die technischen Verbesserungen des Wellen-Radars – sie wurden von einer Partnerfirma durchgeführt – sind weitgehend abgeschlossen. Insbesondere war das System bislang nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt und musste umgerüstet werden. „Ein Tsunami würde uns sonst durch die Lappen geben“, gibt Gurgel zu bedenken. Des Weiteren wurden am Institut für Meereskunde der Universität Hamburg umfangreiche Computersimulationen durchgeführt. Dabei ging es unter anderem um die Frage, was das Wellen-Radar von den Strömungsmustern tatsächlich „sieht“, die für einen Tsunami typisch sind. In der Entwicklung ist zudem die Software, die die verräterischen Strömungssignaturen aus dem allgemeinen Hintergrundrauschen herausfischen soll. Obwohl sich das System also noch im Feldversuch bewähren muss, Klaus-Werner Gurgel ist optimistisch: „Wenn der Tsunami stark genug ist, werden wir ihn sehen. Da bin ich mir recht sicher.“

MN, iserundschmidt 10/2009

Weitere Informationen zum Projekt WeraWarn finden Sie hier. Näheres zur Funktionsweise des HF-Radar finden Sie auf dieser Seite.