Wie Glasfaserkabel Sie vor einem Erdbeben warnen könnten

Indem sie Laser durch unterirdische Glasfaserkabel schießen, können Wissenschaftler seismische Wellen aufspüren und möglicherweise die Warnungen verbessern – und den Menschen wertvolle Zeit zur Vorbereitung geben.

Das Beben der Stärke 7,8 in der Türkei und Syrien hat uns auf brutale Weise vor Augen geführt, dass der Planet Erde noch immer Geheimnisse verbirgt. Wissenschaftler wissen sehr wohl, dass Verwerfungen für Erdbeben anfällig sind, aber sie können nicht sagen, wann ein Beben stattfinden wird oder wie stark es sein wird. Wenn sie das könnten, gäbe es bisher nicht mehr als 20 000 Todesopfer – und die Retter suchen immer noch händeringend nach Überlebenden.

Dennoch haben Wissenschaftler in den letzten Jahren Fortschritte bei der Entwicklung von Erdbebenfrühwarnsystemen gemacht, bei denen Seismometer die ersten Erschütterungen erkennen und Warnungen direkt an die Telefone der Menschen senden. Dieser Alarm kommt nicht Tage oder Stunden vor dem Beben, sondern Sekunden vorher. Die seismischen Erschütterungen auf unserem Planeten treten einfach zu plötzlich auf, als dass die Wissenschaftler nennenswerte Vorwarnzeiten angeben könnten.

Eine neuartige Technik könnte jedoch eines Tages diese Frühwarnsysteme verbessern und den Menschen zusätzliche Zeit verschaffen, um sich auf ankommende Beben vorzubereiten – auch wenn es sich dabei immer noch um einige Sekunden handeln würde, je nachdem, wie nahe man sich am Epizentrum befindet. Das Ganze nennt sich „Distributed Acoustic Sensing“ oder DAS. Obwohl das Feld noch in den Kinderschuhen steckt, könnte DAS die Glasfaserkabel, die unter unseren Füßen vergraben sind, als ein ausgedehntes, hochempfindliches Netzwerk zur Erkennung seismischer Wellen nutzen. Diese Kabel werden für die Telekommunikation verwendet, können aber für die Erkennung von Erdbeben und Vulkanausbrüchen umfunktioniert werden, da die Bewegung des Bodens das durch das Kabel laufende Licht leicht stört und ein deutliches Signal erzeugt.

DAS kann keine Erdbeben vorhersagen, sondern nur frühe Erschütterungen erkennen. „Jedes System, sei es ein Seismometer oder ein Glasfaserkabel, kann Dinge nicht erkennen, bevor sie am Sensor geschehen“, sagt der Geowissenschaftler Philippe Jousset vom Deutschen GeoForschungsZentrum, der DAS zur Erkennung vulkanischer Aktivitäten am italienischen Ätna eingesetzt hat. „Wir müssen den Sensor so nah wie möglich an einer Quelle platzieren, damit wir sie frühzeitig erkennen können. Es gibt überall eine Menge Kabel. Wenn wir sie also alle gleichzeitig überwachen könnten, würden wir Informationen erhalten, sobald etwas passiert.

Wenn eine Verwerfung aufbricht, werden verschiedene Arten von seismischen Wellen ausgelöst. Die Hauptwellen, die P-Wellen, bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 3,7 Meilen pro Sekunde. Sie sind für Häuser und andere Infrastrukturen nicht besonders schädlich. Die sekundären Wellen, die S-Wellen, sind mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Meilen pro Sekunde wesentlich schädlicher. Noch zerstörerischer sind Oberflächenwellen, die sich etwa mit der gleichen Geschwindigkeit wie S-Wellen oder vielleicht etwas langsamer bewegen. Sie reißen an der Erdoberfläche entlang und führen zu dramatischen Verformungen des Bodens. (Sie sind besonders zerstörerisch, weil sich ihre Energie auf eine relativ flache Ebene entlang der Oberfläche konzentriert, während sich P- und S-Wellen im Untergrund dreidimensionaler ausbreiten und ihre Energie verteilen).

Bestehende Erdbeben-Frühwarnsysteme wie ShakeAlert des United States Geological Survey nutzen Seismometer, um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten seismischer Wellen zu erfassen. ShakeAlert besteht aus etwa 1.400 seismischen Stationen in Kalifornien, Oregon und Washington, und es ist geplant, fast 300 weitere hinzuzufügen. Diese überwachen die sich schnell bewegenden P-Wellen, die vor den schädlicheren S-Wellen und Oberflächenwellen warnen. Wenn sich ein Erdbeben ereignet und mindestens vier separate Stationen das Ereignis feststellen, wird dieses Signal an ein Datenzentrum gesendet. Sollten die Algorithmen des Systems feststellen, dass das Beben eine Stärke von mehr als 5 hat, wird ein Notfallalarm ausgelöst, der an die Mobiltelefone der Anwohner gesendet wird. (Dank einer ShakeAlert-Partnerschaft mit Google wird der Alarm an Android-Nutzer gesendet, wenn die Stärke über 4,5 liegt).

All diese Datenübertragung durch moderne Telekommunikationsgeräte erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit – etwa 186.000 Meilen pro Sekunde – und damit viel, viel schneller als zerstörerische seismische Wellen. Wie viel Vorwarnung ein Anwohner erhält, hängt jedoch davon ab, wie weit er vom Epizentrum entfernt ist. Wenn sie sich direkt über dem Epizentrum befinden, bleibt nicht genug Zeit, um die Warnung zu erhalten, bevor sie das Beben spüren. Stellen Sie sich das wie ein Gewitter vor: Je näher Sie dem Blitz sind, desto eher hören Sie den Donner.

„Alles passiert superschnell“, sagt Robert-Michael de Groot, Mitglied des ShakeAlert-Betriebsteams am USGS Earthquake Science Center. „Wenn man weit genug weg ist, kann man ein paar Sekunden Zeit haben. Das ist besser als in der Zeit, als es noch keine Erdbebenfrühwarnungen gab. Damals war das einzige Signal, dass man wusste, dass etwas los war, das Beben des Bodens.

In diesen wenigen Sekunden können die Menschen ihre Kinder einsammeln und sich unter einen Tisch flüchten. ShakeAlert ist im Grunde schneller als das Erdbeben, zumindest die Teile, die der Mensch an der Oberfläche als starke Erschütterungen wahrnimmt. „Es ist ein Wettlauf“, sagt de Groot. „Die Menschen spüren vielleicht einen Stoß oder etwas Ähnliches, aber wenn dann das starke Beben kommt, ist der Alarm hoffentlich schon da und die Menschen sind in Position.“

DAS funktioniert nach demselben Prinzip wie ShakeAlert, nur dass anstelle von Seismometern, die nach P-Wellen suchen, riesige Strecken von Glasfaserkabeln verwendet werden. Wissenschaftler können eine Genehmigung erhalten, um ein Gerät namens Abfragegerät an ungenutzten Kabeln anzubringen. (Die Telekommunikationsunternehmen haben oft mehr Kabel verlegt, als sie am Ende brauchten.) Dieses Gerät feuert Laserimpulse auf die Kabel und analysiert winzige Lichtteilchen, die zurückprallen, wenn die Faser gestört wird. Da die Wissenschaftler die Lichtgeschwindigkeit kennen, können sie Störungen anhand der Zeit, die das Signal benötigt, um zum Abfragegerät zurückzukehren, genau bestimmen.

Anstatt seismische Messungen an einem einzigen Punkt vorzunehmen, wie es ein Seismometer tut, ist DAS eher wie eine kilometerlange Schnur, die einen riesigen Erdbebensensor bildet. Wenn es eine Reihe von Kabeln gibt, die im Zickzack durch eine Region verlaufen, ist das umso besser. „Einer der großen Vorteile von DAS ist, dass viele dieser Kabel bereits vorhanden sind, so dass sie leicht verfügbar sind“, sagt Sunyoung Park, Seismologe an der Universität von Chicago.

DAS kann auch dort Daten sammeln, wo es keine richtigen seismischen Stationen gibt, z. B. in ländlichen Gebieten, in denen Glasfaserkabel verlegt sind. Da diese Kabel auch unter dem Meer verlaufen – sie verlaufen entlang der Küsten und verbinden Kontinente über Ozeane hinweg – können sie auch dort Erdbeben auffangen. Für diese längeren Strecken verwenden die Forscher so genannte „Repeater“, Geräte, die bereits etwa alle 40 Meilen entlang der Kabel angebracht sind und die Signale verstärken. In diesem Fall analysieren sie nicht das Licht, das zu einem Abfragegerät zurückprallt, sondern das Signal, das jeden Repeater erreicht.

Letztes Jahr haben Wissenschaftler beschrieben, wie sie ein Kabel, das sich vom Vereinigten Königreich bis nach Kanada erstreckte, zum Aufspüren von Erdbeben bis hinunter nach Peru nutzten. Die Technik war so empfindlich, dass das Kabel sogar die Bewegung der Gezeiten aufzeichnete, was bedeutet, dass es möglicherweise auch zur Erkennung von Tsunamis verwendet werden könnte, die durch Unterwasserbeben ausgelöst werden.

Letzten Monat beschrieb ein anderes Forscherteam in der Zeitschrift Scientific Reports, wie sie Unterwasserkabel vor den Küsten Chiles, Griechenlands und Frankreichs zur Erkennung von Erdbeben verwendeten. Sie verglichen diese Daten mit den Daten von Seismometern, die dieselben Ereignisse aufzeichneten, und sie stimmten gut überein. „Wir können die über Glasfaserkabel aufgezeichneten Signale in Echtzeit analysieren und die Stärke des Erdbebens abschätzen“, sagt Itzhak Lior, Seismologe an der israelischen Hebräischen Universität und Hauptautor der Studie. „Der Clou dabei ist, dass wir die Stärke alle 10 Meter entlang der Faser abschätzen können.

Da ein herkömmliches Seismometer an einem einzigen Punkt misst, kann es durch lokales Datenrauschen, z. B. durch große vorbeifahrende Fahrzeuge, gestört werden. „Wenn man Fasern hat, kann man ein Erdbeben ziemlich leicht von Rauschen unterscheiden, weil ein Erdbeben fast sofort über Hunderte von Metern aufgezeichnet wird“, sagt Lior. „Wenn es sich um eine lokale Lärmquelle wie ein Auto oder einen Zug handelt, sieht man es nur auf ein paar Dutzend Metern.“

Grundsätzlich erhöht DAS die Auflösung der seismischen Daten erheblich. Das soll nicht heißen, dass es ein Ersatz für diese hochgenauen Instrumente wäre – es ist eher eine Ergänzung dazu. Der Grundgedanke ist lediglich, mehr seismische Detektoren näher an die Epizentren von Erdbeben zu bringen und so die Abdeckung zu verbessern. „In diesem Sinne spielt es keine Rolle, ob man Seismometer oder DAS hat“, sagt Lior. „Je näher man an einem Erdbeben ist, desto besser.

Und die DAS-Forschung hat mit einigen Herausforderungen zu kämpfen, insbesondere mit der Tatsache, dass Glasfaserkabel nicht für die Erkennung seismischer Aktivitäten konzipiert wurden, sondern für den Transport von Informationen. „Eines der Probleme mit DAS-Kabeln ist, dass sie nicht unbedingt gut an den Boden gekoppelt sind“, sagt Park. Das bedeutet, dass die Leitungen vielleicht nur lose in Rohren verlegt sind, während ein richtiges Seismometer fein abgestimmt und positioniert ist, um Erschütterungen zu erkennen. Die Wissenschaftler erforschen, wie sich die Datenerfassung eines Kabels je nach Verlegung im Boden verändern könnte. Aber da es so viele Kilometer an Glasfaserkabeln gibt, vor allem in städtischen Gebieten, haben die Wissenschaftler viele Möglichkeiten. „Da das Netz so dicht ist, hat man eine Menge Daten, mit denen man spielen kann“, sagt Park.

Ein weiteres Hindernis, so der Geophysiker Ariel Lellouch, der sich an der Universität Tel Aviv mit DAS befasst, besteht darin, dass das ständige Abfeuern von Laserimpulsen auf Glasfaserkabel und die Analyse der an die Abfragesysteme zurückgesandten Daten eine enorme Menge an Informationen erzeugt, die analysiert werden müssen. „Allein die schiere Datenmenge, die man erfasst, und die Verarbeitung bedeuten, dass man einen großen Teil davon wahrscheinlich vor Ort erledigen muss“, sagt Lellouch. „Sie können es sich nicht leisten, alle Daten ins Internet hochzuladen und sie dann an einem zentralen Ort zu verarbeiten. Denn bis man die Daten hochgeladen hat, ist das Erdbeben schon längst überstanden.

In der Zukunft könnte diese Verarbeitung tatsächlich in den Abfragegeräten selbst stattfinden, so dass ein Netzwerk von kontinuierlich arbeitenden Detektoren entsteht. Dieselben Glasfaserkabel, die Ihnen das Internet ermöglichen, könnten Ihnen wertvolle Sekunden zusätzlicher Warnung bringen, um sich auf ein Erdbeben vorzubereiten.