Erkundung des Extremen

Hurrikane, Monsterwellen, Erdbeben – aber auch ausufernde Algenblüten, Stromausfälle ganzer Städte, Börsencrashs und epileptische Anfälle: All diese Phänomene sind extreme Abweichungen von der Norm. In der Regel geschehen sie völlig unvorhergesehen, oft mit katastrophalen Folgen. Bislang fehlte es vor allem an geeigneten Modellen, solche Vorkommnisse möglichst genau erfassen zu können – mit dem Ziel, sie eines Tages verlässlich vorherzusagen. Vor diesem Hintergrund startete die VolkswagenStiftung Ende 2009 die Ausschreibung "Extremereignisse: Modellierung, Analyse und Vorhersage". Acht Forscherteams waren mit ihren Projektideen erfolgreich. Gut drei Jahre nach dem Start der Vorhaben zeigen Besuche in ihren Labors: Was mit einem kleinen Wettbewerb der Stiftung begann, könnte bald schon global von großem Nutzen sein.

Professor Norbert Hoffmann vom Institut für Wellenphysik der Technischen Universität Hamburg-Harburg am 15 Meter langen Wellenkanal der Hochschule. Sein Interesse gilt sogenannten Kaventsmännern: Er erforscht mit seinem Team, wie es zu solchen Riesenwe
Professor Norbert Hoffmann vom Institut für Wellenphysik der Technischen Universität Hamburg-Harburg am 15 Meter langen Wellenkanal der Hochschule. Sein Interesse gilt sogenannten Kaventsmännern: Er erforscht mit seinem Team, wie es zu solchen Riesenwellen kommt. (Foto: Franz Bischoff)

Die Materie ist schwer zu fassen: Desaster wie erschütternde Beben, heftige Vulkanausbrüche oder Superstürme treten nur selten auf, manchmal nur alle paar Jahrzehnte. Dadurch mangelt es den Experten an Daten, anhand derer sie sattelfeste statistische Aussagen treffen könnten. Außerdem laufen die Katastrophen oft nach komplexen, schwer durchschaubaren Regeln und Prozessen ab. Zuweilen genügen kleinste Ursachen, um eine enorme Wirkung zu entfalten – das Prinzip der Chaostheorie.

Trotz dieser Hemmnisse macht die Forschung Fortschritte. Immer besser gelingt es, jene Formeln und Gesetzmäßigkeiten zu enträtseln, auf deren Grundlage sich Extremereignisse beschreiben lassen. Welche Regionen sind besonders erdbebengefährdet, an welchen Küsten drohen verheerende Tsunamis, wann muss ein Patient mit einem epileptischen Anfall rechnen? Oft finden sich zur Beantwortung solcher Fragen interdisziplinäre Teams zusammen – Mathematiker kooperieren mit Medizinern, Physiker mit Biologen, Informatiker mit Geoforschern.

Im Zusammenspiel ihrer jeweiligen Expertisen bilden sich neue Theorien. Und es zeigt sich: Sie sind extrem hilfreich, Risiken Schritt für Schritt besser abschätzen zu können. Für manche Szenarien gelingt das inzwischen recht genau, für andere – noch – weniger. Nehmen wir als Beispiel das Auftreten einer Monsterwelle, ein ebenso eindrucksvolles wie beängstigendes extremes Ereignis. Lange Zeit hielt man solche Riesenbrecher – eine Wand aus Wasser, zwei- bis dreimal höher als alle Wogen um sie herum – für pures Seemannsgarn. Dann aber wurden sie tatsächlich nachgewiesen: Erst registrierten Pegelmesser auf Bohrinseln scheinbar absurde Ausschläge, dann spürten Radarsatelliten die maritimen Monster vom All aus auf.

Extremereignis Kaventsmann – ein Besuch im Hamburger Wellenkanal

Ein Prüfstand für Hafenkräne, ein Testbecken für Unterwasserroboter, der Wellenkanal: Die große  Mehrzweckhalle des Instituts für Wellenphysik der Technischen Universität Hamburg-Harburg bietet Forschern neueste Technik und viel Platz, ihre Theorie
Ein Prüfstand für Hafenkräne, ein Testbecken für Unterwasserroboter, der Wellenkanal: Die große Mehrzweckhalle des Instituts für Wellenphysik der Technischen Universität Hamburg-Harburg bietet Forschern neueste Technik und viel Platz, ihre Theorien zu überprüfen. (Foto: Franz Bischoff)

"Heute geht man davon aus, dass Jahr für Jahr zehn schwere Schiffsunfälle durch Riesenwellen verursacht werden", sagt Dr. Norbert Hoffmann, Professor für Strukturdynamik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg sowie am Imperial College in London. So sank 1978 das Containerschiff München nördlich der Azoren mit 28 Mann Besatzung, vermutlich getroffen von solch einer "Freak Wave". 1984 ging vor Kanada nach Aufprall eines Kaventsmanns eine Ölplattform unter. 2002 schlug eine haushohe Welle den Tanker Prestige in Stücke und verursachte eine Ölpest an der spanischen Atlantikküste.

Prof. Norbert Hoffmann und sein Team von der TU Hamburg-Harburg untersuchen, wie sich Monsterwellen bilden und ob sie sich vorhersagen lassen.
© VolkswagenStiftung / TVN

Wie sich Monsterwellen bilden und ob sie sich überhaupt vorhersagen lassen, untersuchen die Forscher aus Hamburg gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Oldenburg, der Australischen Nationaluniversität und der Russischen Akademie der Wissenschaften in dem Projekt "Extreme Ocean Gravity Waves". Ihr vereintes ehrgeiziges Ziel ist ein Modell, das die Entstehung und Ausbreitung der Riesenwellen besser abbildet, als das bisher möglich ist. Dafür taugt die herkömmliche, lineare Mathematik nicht. Mit ihr lässt sich zwar normaler Seegang passabel beschreiben. Bei Kaventsmännern aber versagt der Ansatz: Deren Zahl würden die derzeit verfügbaren Modellberechnungen massiv "unterschätzen", etwa um den Faktor 50, sagen die Wissenschaftler. Deshalb greifen die Forscher zu einem anderen Werkzeug, der nichtlinearen Mathematik.

"Lässt man die Strahlen aus zwei Gartenschläuchen aufeinandertreffen, spritzt das Wasser in alle Richtungen davon", erläutert Projektkoordinator Hoffmann. "Im Unterschied zu den Lichtkegeln zweier Taschenlampen, deren Strahlen sich völlig unbeeinflusst kreuzen, gehorcht dieser Prozess nichtlinearen Gesetzmäßigkeiten." Ähnlich verhalten sich die Wellen im Ozean: Statt sich linear zu überlagern, interagieren sie intensiv. Bei besonderen Bedingungen, etwa wenn starker Wind auf bestimmte Meeresströmungen trifft, kann ein nichtlineares Wechselwirken dazu führen, dass eine Welle ihren Nachbarn Energie entzieht. Sie saugt sie regelrecht leer. "Dadurch kann sich die Energie für einige Minuten in einem zentralen Bereich bündeln", erläutert Hoffmann. "Es bildet sich eine außergewöhnlich große Welle, die kurze Zeit später wieder auseinanderläuft."

Der Wellenkanal des des Instituts für Wellenphysik. (Foto: Franz Bischoff)
Der Wellenkanal des des Instituts für Wellenphysik. (Foto: Franz Bischoff)

Überprüfen können die Forscher ihre neue Theorie im laboreigenen Wellenkanal. Nachwuchsingenieur Dr. Amin Chabchoub schließt die Tür zur Mehrzweckhalle auf. Vorn ein Testbecken für Unterwasserroboter, daneben ein Prüfstand für Hafenkräne. Der Wellenkanal steht hinten in der Halle, er ähnelt einer überdimensionalen Badewanne: 15 Meter lang, 1,5 Meter breit. "Vorn ist die Wellenklappe installiert, die hydraulisch die Wellen erzeugt", erläutert Chabchoub, der mittlerweile an der Technischen Universität Swinburne in Melbourne forscht. "Am anderen Ende befindet sich ein kleiner Strand. Er absorbiert die Wellen, damit sie nicht zurückschwappen und das Ergebnis verfälschen können."

Die Forscher nutzen auch den gut 75 Meter langen Wellenkanal der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH mit dessen Aufbauten und Modellschiffen. Hier stellen sie Testläufe aus dem kleinen "hochschuleigenen" Wellenkanal noch einmal nach. (Fotos: Fra
Die Forscher nutzen auch den gut 75 Meter langen Wellenkanal der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH mit dessen Aufbauten und Modellschiffen. Hier stellen sie Testläufe aus dem kleinen "hochschuleigenen" Wellenkanal noch einmal nach. (Fotos: Franz Bischoff)

Um eine künstliche Monsterwelle zu erzeugen, beugt sich Amin Chabchoub über den PC und aktiviert per Mausklick die Computersteuerung. Die Hydraulik setzt sich mit einem rhythmischen Rumpeln in Bewegung. Rasch bildet sich im spiegelglatten Wasser ein gleichmäßiges Wellenmuster aus. Die Miniwellen sind kaum einen Zentimeter hoch und sehen alle gleich aus. Dann plötzlich – ein kurzer Ruck, die rechnergesteuerte Hydraulikklappe schlägt etwas heftiger aus. Es entsteht eine einzelne Welle, die auf ihrem Weg durch den Kanal immer größer wird, bis sie mit einem vernehmlichen "Platsch" auf dem künstlichen Strand aufschlägt. Furchterregend ist das Schauspiel zwar nicht. Doch die Kriterien für eine Monsterwelle sind erfüllt: Der Ausreißer ist drei Zentimeter hoch – er misst das Dreifache aller Wellen um ihn herum.

"Wir haben unsere Ergebnisse mit Messungen an echten, bis zu 30 Meter hohen Monsterwellen verglichen", sagt Professor Norbert Hoffmann. "Dabei kam heraus, dass sich unsere Laborwellen ganz ähnlich verhalten wie jene natürlichen Kaventsmänner." Für die Fachleute ein wichtiges Indiz, dass sie mit ihrer Theorie auf der richtigen Spur sind. In einigen Jahren könnte sie – so die Hoffnung – als Basis für eine Art Monsterwellen- Prognose dienen. Die australischen Projektpartner etwa suchen bereits nach Frühwarn-Indikatoren. Diese würden den Kapitänen verraten, in welchen Seegebieten mit erhöhtem Kaventsmann- Risiko zu rechnen ist. Diese Seegebiete sollten Schiffe dann meiden und vorsichtshalber andere Routen wählen.

Extremereignis Tsunami – vom Beben zur Welle: Forscher in Hamburg, München und Zürich modellieren gemeinsam

Professor Jörn Behrens vom KlimaCampus der Universität Hamburg erläutert eine Simulation, die zeigt, wie sich der Tsunami infolge des Sumatra-Andamanen-Erdbebens entwickelte. (Foto: Franz Bischoff)
Professor Jörn Behrens vom KlimaCampus der Universität Hamburg erläutert eine Simulation, die zeigt, wie sich der Tsunami infolge des Sumatra-Andamanen-Erdbebens entwickelte. (Foto: Franz Bischoff)

Deutlich verheerender noch kann sich eine andere Art von Wellen auswirken – Tsunamis, hervorgerufen durch Seebeben. So forderte im Indischen Ozean die Flutwelle vom Dezember 2004 rund 200.000 Todesopfer. Beim Tsunami im März 2011 in Japan verloren etwa 15.000 Menschen ihr Leben; die Atomkatastrophe in Fukushima hat sicher jeder noch vor Augen.

Angesichts solcher Megakatastrophen versuchen Wissenschaftler möglichst genau zu verstehen, wie diese Flutwellen zustande kommen. Eines der Ziele: eine verlässliche Abschätzung, an welchen Küsten das Tsunami-Risiko besonders hoch ist. Ungeklärt ist unter anderem, wie sich die Wucht des Bebens auf das Wasser überträgt.

"Bislang hat die Forschung darüber empirische Annahmen gemacht, die sich im Nachhinein oft als zu ungenau herausgestellt haben", sagt Dr. Jörn Behrens, Professor für Numerische Methoden in den Geowissenschaften der Universität Hamburg. "Vielleicht haben wir noch gar nicht richtig verstanden, wie sich die Bewegung der Erde auf die Bewegung des Wassers auswirkt."

Um diesen Zusammenhang besser zu durchdringen, initiierte Behrens 2011 gemeinsam mit Forscherkollegen aus München und Zürich das Projekt "Advanced Simulation of Coupled Earthquake and Tsunami Events” (ASCETE). Es setzt auf die Kooperation verschiedener Fachdisziplinen. Geophysiker der Ludwig-Maximilians-Universität und der ETH Zürich entwickeln ausgefeilte Modelle darüber, wie sich die Erdkruste bewegt und wie Beben entstehen. Die Hamburger Mathematiker wissen, wie man realitätsgetreu Tsunamiwellen im Rechner simuliert. Und Informatiker der Technischen Universität München liefern das Handwerkszeug: wichtiges Programmier-Know-how für Supercomputer.

Früher war man bei den Simulationen davon ausgegangen, dass sich der bebende Meeresgrund in einem Stück hebt oder senkt. Spätere Modelle verfeinerten diese Vorstellung und unterteilten den Boden in viele kleine Platten, die sich zwar gleichzeitig, aber unterschiedlich stark und auch gegeneinander verschieben: eine realistischere Annahme. Die neuesten Modelle können detaillierte Bruchzonen darstellen und berücksichtigen nun auch, dass sich solche Brüche zeitlich ausbreiten – so geschehen beim Japan-Beben von 2011: Dort war der Meeresgrund zunächst in eine Richtung aufgebrochen, danach "sprang" der Bruch wieder ein Stück zurück.

"Wir gehen davon aus, dass dieser zeitliche Verlauf entscheidend zur extremen Wellenkonfiguration und -höhe und damit zur Zerstörungskraft eines Tsunamis beiträgt", sagt Projektkoordinator Jörn Behrens. "Abhängig davon, wie sich der Bruch entwickelt, können sich die entstehenden Wasserwellen aufschaukeln, aber auch gegenseitig auslöschen."

Rekonstruktion des Japan-Erdbebens und des nachfolgenden Tsunamis im Jahr 2011. In Orangerot eingefärbt ist die maximale Anhebung des Meeresbodens, blaulilafarben hervorgehoben die Wellenhöhe. Als leicht schattierte Fläche ist oberhalb der Meeresoberfl
Rekonstruktion des Japan-Erdbebens und des nachfolgenden Tsunamis im Jahr 2011. In Orangerot eingefärbt ist die maximale Anhebung des Meeresbodens, blaulilafarben hervorgehoben die Wellenhöhe. Als leicht schattierte Fläche ist oberhalb der Meeresoberfläche das Rechengitter erkennbar. Der Modellierung liegt eine gekoppelte Berechnung der Ereignisse Erdbeben und Tsunami zugrunde (Grafik erstellt vom ASCETE-Team).

Um diese Prozesse modellhaft zu simulieren, arbeiten die ASCETE-Experten an einer umfassenden Computersoftware. Gleich einem virtuellen Labor soll sie das gesamte Phänomen nachbilden – vom detaillierten Aufbrechen des Erdbodens über die Entstehung der Wasserwelle bis hin zum Auftreffen des Tsunamis an der Küste. Bislang lassen sich Beben und Welle nur getrennt simulieren, doch die Forscher sind zuversichtlich, bald eine Software vorlegen zu können, die beides bündelt.

Langfristig sollen die Ergebnisse helfen, Warnungen vor einem Tsunami und über dessen Stärke und Ausmaß treffsicherer zu machen. Die Idee: "Mit unserem Modell wollen wir studieren, welche Mechanismen in einer bestimmten Region überhaupt auftreten können", erläutert Behrens. "Das wird dann bei der Abschätzung des Risikos helfen, welche Küsten besonders tsunamigefährdet sind und welche nicht."

Auch die Erdbeben selbst geben noch Rätsel auf. Wodurch kommen sie zustande, was löst sie aus? Wichtige Fragen, denn je genauer man auch hier die Entstehungsmechanismen und -prozesse kennt, umso präziser lassen sich die Risiken für ein Extremereignis wie einen verheerenden Erdstoß abschätzen. Anreiz genug für ein weiteres in der Initiative gefördertes Wissenschaftlerteam, einen noch jungen, spekulativen Ansatz mit Nachdruck zu verfolgen – die Fluid-Hypothese.

Extremereignis Erdbeben – Experten in Zürich und Bonn rütteln an althergebrachten Theoriegebäuden

Er arbeitet an der "Fluid-Hypothese", einer ganz neuen Theorie zur Entstehung von Erdbeben einschließlich entsprechender Risikoabschätzung: Professor Stephen A. Miller vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie der Universität
Er arbeitet an der "Fluid-Hypothese", einer ganz neuen Theorie zur Entstehung von Erdbeben einschließlich entsprechender Risikoabschätzung: Professor Stephen A. Miller vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie der Universität Bonn. (Foto: Franz Bischoff)

"An den Rändern der Kontinentalplatten steigen enorme Mengen an Gasen und Flüssigkeiten aus dem Erdinneren auf, zum Beispiel Wasser und Kohlendioxid", erklärt Professor Dr. Stephen Miller vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie der Universität Bonn die Ausgangsvorstellung der kooperierenden Forscherteams aus Deutschland und der Schweiz. "Wir gehen davon aus, dass sich diese Fluide an bestimmten Stellen sammeln und dort Erdbeben auslösen können."

Das Prinzip: Ähnlich wie der Dampf in einem Dampfkochtopf setzen die Fluide das Gestein um sich herum gehörig unter Hochdruck. Bekommt der "Hochdruckkessel" einen Riss, treten die Fluide aus – und dabei werden beträchtliche Energien frei. Die Erde bebt. Indizien dafür, dass diese Mechanismen wie beschrieben greifen, meinen die Bonner Forscher bereits gefunden zu haben: "Als klarer Fall kann das Beben gelten, das 1997 die Gegend um das italienische Assisi erschütterte", sagt Miller. "Damals folgten die Nachbeben einem Muster, das genau einer unter Hochdruck entweichenden Fluid-Front entsprach."

Ähnliches gilt für das L’Aquila-Beben von 2009 in Italien. Dort hatten sich plötzlich die chemischen Eigenschaften in wasserführenden Schichten verändert – für Stephen Miller ein Zeichen, dass Gase und Flüssigkeiten aus der Tiefe aufgestiegen waren und Nachbeben verursacht hatten. Zudem könnten die Fluide hinter weiteren seismischen Phänomenen stecken – langsamen Rutschund Zitterbewegungen im tiefen Erdgestein etwa.

"Diese Prozesse scheinen vor allem dort abzulaufen, wo es unterirdische Hochdruckblasen gibt", sagt Miller. Ein weiterer Effekt: Gelegentlich registrieren Geoforscher, dass bei einem schweren Beben das Gestein an weit entfernten Stellen auf besondere Weise vibriert. Miller und Kollegen vermuten, dass diese Schallsignale durch "eingefangene" Fluide erzeugt werden; sie schwingen quasi wie der Resonanzkörper eines Musikinstruments. Entsprechende Stellen wollen die Experten nun genauer unter die Lupe nehmen und nach verräterischen Besonderheiten in den seismischen Signalen fahnden.

Um die Fluid-Hypothese eingehend zu prüfen, arbeitet das Team an einer 3D-Computersimulation. Diese soll detailliert nachstellen, wie sich im Erdinneren allmählich Blasen aufbauen und unter Hochdruck entladen. Sollten die Ergebnisse des Rechnermodells mit den tatsächlichen seismischen Daten übereinstimmen, wäre die Hypothese erhärtet. Dann scheint es möglich, für manche erdbebengefährdete Region eine genauere Risikoanalyse abzugeben.

"Vor allem kleinere Nachbeben lassen sich vorhersagen", zeigt sich Projektpartner Professor Dr. Didier Sornette von der ETH Zürich optimistisch. "Doch die wirklich schweren Erdstöße verlässlich zu prognostizieren, dürfte auch auf lange Sicht schwierig sein."

Mensch und Natur werden sich also auch weiterhin mit den Folgen extremer Ereignisse auseinanderzusetzen haben – für manche Vorkommnisse hofft man jedoch, dass die Auswirkungen dank besserer Vorhersagen künftig weniger gravierend sind. Das wurde auch deutlich bei einer von der Stiftung initiierten Veranstaltung für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller acht geförderten Projekte. Sie kamen im März 2013 im Schloss Herrenhausen in Hannover zusammen, um Ergebnisse ihrer Projekte zu diskutieren. Zwischen den rund achtzig international führenden Experten und Nachwuchswissenschaftlern, die ein breites Spektrum an Fächern und Forschungsfeldern repräsentierten, flogen Ideen und Modellierungsszenarien munter hin und her. Fast aus dem Stegreif entstanden skizzenhaft zahlreiche neue Forschungsansätze.

Einige Hauptthemen, die dort diskutiert wurden, waren etwa die nach den "Triggermechanismen" für Extremereignisse. Wie kommt es dazu, dass sich solch ein Geschehen ausbildet? Lässt sich die Wucht eines Extremereignisses im Vorfeld beeinflussen, wenn man es rechtzeitig nahen sieht? Ab wann andererseits verläuft ein Prozess unumkehrbar? – Eine zentrale Erkenntnis aus der Tagung formuliert Dr. Ulrike Bischler, die die Initiative bei der VolkswagenStiftung betreut hat: "Ob sich Extreme in einer zunehmend vernetzten und mehr belastenden Einflüssen ausgesetzten Welt vielleicht sogar verstärken und wie sich solche Ereignisse möglichst treffsicher vorhersagen lassen: Diese Fragen stellen für die Wissenschaft weiterhin große Herausforderungen dar." Der Austausch über Ideen, Forschungsdesigns und methodische Ansätze zwischen den verschiedenen Disziplinen sei daher auch künftig zwingend. Es bleibt also spannend: mit Blick auf Extremereignisse als solche und die Forschung dazu.

Frank Grotelüschen