Was ist der unterschied von einem erdbebenherd und einem epizentrum

Die bei einem Erdbeben freiwerdende seismische Energie läuft in Form von Wellen durch die Erde. Diese verursachen an der Erdoberfläche die als Beben wahrgenommenen Erschütterungen und können von Seismometern gemessen werden (siehe Frage „Was ist ein Seismometer und wie funktioniert es?“).

Erdbebenwellen lassen sich in Raumwellen (P- und S-Wellen) und Oberflächenwellen (Love- und Rayleigh-Wellen) unterschieden.

Aufgrund der Geschwindigkeitsunterschiede der verschiedenen Erdbebenwellen kann das Hypo- und Epizentrum eines Erdbebens bestimmt werden (siehe Fragen „Was ist ein Hypozentrum?“, „Was ist ein Epizentrum?“ und „Wie wird der Ursprungsort eines Erdbebens bestimmt?").

• P-Wellen

P-Wellen (Primärwellen) verlaufen kugelförmig vom Hypozentrum aus als Raumwellen (siehe Frage „Was ist ein Hypozentrum?“). Sie breiten sich aus, indem sie den Untergrund abwechselnd zusammenpressen (komprimieren) und dehnen.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der P-Wellen beträgt etwa 6 bis 8 km/s (je nach Gesteinsschicht). Da die P-Wellen die schnellsten Erdbebenwellen sind, erreichen sie die seismischen Stationen als erste.

• S-Wellen

S-Wellen (Sekundärwellen) verlaufen kugelförmig vom Hypozentrum aus als Raumwellen (siehe Frage „Was ist ein Hypozentrum?“). Sie breiten sich aus, indem sie das Gestein, welches sie durchlaufen, senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung wegschwingen. Dabei kann das Gestein sowohl in der horizontalen (hin und her) als auch in der vertikalen Ebene (auf und ab) schwingen.

S-Wellen breiten sich abhängig von der Gesteinsschicht mit etwa 3 bis 4 km/s aus und treffen daher stets nach den P-Wellen ein.

• Love-Wellen

Love-Wellen breiten sich als Oberflächenwellen vom Epizentrum aus (siehe Frage „Was ist ein Epizentrum?“). Sie entstehen, wenn P- und S-Wellen die Erdoberfläche erreichen. Das Gestein schwingt durch Love-Wellen parallel zur Erdoberfläche (horizontal hin und her).

Love-Wellen sind langsamer als S-Wellen aber schneller als Rayleigh-Wellen.

• Rayleigh-Wellen

Rayleigh-Wellen breiten sich als Oberflächenwellen vom Epizentrum aus (siehe Frage „Was ist ein Epizentrum?“). Sie entstehen, wenn P- und S-Wellen die Erdoberfläche erreichen. Das Gestein schwingt durch Rayleigh-Wellen in einer elliptisch rotierenden Form. Dies lässt sich mit der Ausbreitung von Wasserwellen vergleichen, die entstehen, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Rayleigh-Wellen weisen oft viel grössere Amplituden auf als die anderen Erdbebenwellen, weshalb sie an der Erdoberfläche die stärksten Erschütterungen und Schäden verursachen können (siehe Frage „Was bedeuten Periode, Wellenlänge und Amplitude?“).

Länder wie Japan, Chile und Indonesien sind ständig von Erdbeben bedroht. Sie liegen in sogenannten Subduktionszonen. Das sind die Zonen, an denen die sich bewegenden Kontinentalplatten aufeinandertreffen. Stoßen sie aneinander, baut sich im Grenzbereich mechanische Spannung auf. Übersteigt diese Spannung die Festigkeit des Gesteins, kommt es zum Bruch. Dabei kann unvorstellbar viel Energie frei werden.

Erdbeben kommen aus der Tiefe der Erde

Rund um den "Pazifischen Feuerring" stoßen Erdplatten zusammen.

Dass sich die Platten bewegen, bewirkt der bis zu 5.000 Grad heiße Erdkern. Dieser erwärmt den umgebenden Erdmantel und lässt heißes Material nach oben steigen. Der Erdbebenherd liegt im Inneren der Erde, da nur in der Erdkruste das Gestein so spröde ist, dass es brechen kann. Die Entladung passiert plötzlich und löst seismische Wellen aus, die sich von diesem Punkt strahlenförmig, radial, von der Bruchfläche ausgehend ausbreiten. Dabei sind sie von uns unterschiedlich wahrnehmbar.

Unterschiedliche Ausbreitung der Wellen

Erdbeben erzeugen sowohl Raum- als auch Oberflächenwellen: Raumwellen können durch das Innere der Erde laufen, Oberflächenwellen sind an die Erdoberfläche gebunden.

Raumwellen

Bebt es, werden am Bebenherd, auch Hypozentrum genannt, zunächst die Primärwellen (P-Wellen) aufgezeichnet. P-Wellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von fünf Kilometern pro Sekunde aus und sind damit wesentlich schneller als Sekundärwellen (S-Wellen). Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Einsetzen der P- und der S-Wellen kann die Entfernung zum Herd errechnet werden.

Raumwellen: Primärwellen (P-Wellen) Primär-Wellen schwingen in die gleiche Richtung, in der sich die ganze Welle ausbreitet - aus der Tiefe der Erdkruste in Richtung der Erdoberfläche. Das bedeutet der Boden wird gestaucht (Kompression) und gedehnt (Dilatation). Sie breiten sich im Erdinneren, in festen Körpern, Flüssigkeiten wie Wasser oder in Gasen aus. Wie bei Schallwellen werden die Teilchen im Boden geschoben und gezogen. Während manche Tiere die P-Wellen auch hören, spüren Menschen nur die Erschütterungen.

Wellen-Abfolge bei einem Erdbeben

Zuerst steigen die Primär-Wellen steil zur Oberfläche auf, der Boden hebt und senkt sich in einer vertikalen Bewegung. Sie bewirken jedoch noch keine größeren Zerstörungen. Doch dann folgen die Sekundär-Wellen und rütteln den Boden nochmals heftig seitwärts durch. Mit oder kurz nach ihnen treffen die Love-Wellen ein. Der Untergrund beginnt nun stärker zu beben, in einer schlangenförmigen Wellenbewegung, die sich zur Oberfläche hin ausbreitet.

Schließlich laufen auch noch die Rayleigh-Wellen ein: Sie erzeugen Bodenbewegungen, die den Boden heben und senken und ihn gleichzeitig dehnen und stauchen. Sie rufen bei großen Erdbeben die viel beschriebene "rollende Bewegung" des Untergrundes hervor. Die Abfolge der unterschiedlichen Oberflächenwellen bildet den wesentlichen und verheerenden Teil eines Erdbebens. Love- und Rayleigh-Wellen halten fünfmal länger an als P- und S-Wellen.

Das Beben und der Tsunami 2011 in Japan

Gefährliche Lage Japan liegt gefährlich: Vier Kontinentalplatten stoßen hier zusammen und schieben sich unter- und übereinander. Vom Osten her schiebt sich die große Pazifische Platte genau vor Japans Küste unter die kleine Philippinische Platte und unter die Nordamerikanische Platte im Nordwesten. Beide zusammen tauchen unter die Eurasische Platte im Westen.

Erdbeben können die Erde trudeln lassen

Seismogramm des Instituts für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn, am 11. März 2011

Welche ungeheure Kraft diese seismischen Wellen besitzen können, wurde beispielsweise beim Erdbeben am 11. März in Japan deutlich. Bonner Geoforscher der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität stellten fest, dass es den gesamten Planeten zum Schwingen gebracht hatte. Das Erdbeben wurde um 5.46.23,0 Uhr (Weltzeit) ausgelöst. Zwölf Minuten und 28 Sekunden später kam die erste seismische Welle im Geo-Observatorium Odendorf des inzwischen emeritierten Professor Manfred Bonatz an:

"Danach konnten wegen der großen Amplituden (Schwingungsweiten) der einlaufenden seismischen Wellen während mehrerer Stunden keine auswertbaren Signale mehr gewonnen werden. Die Signale der Eigenschwingungen wurden erst sichtbar, als die Energie der die Erde permanent umlaufenden und durchlaufenden seismischen Wellen allmählich abgenommen hatte."

Prof. em. Manfred Bonatz, Institut für Geodäsie und Geoinformation der Uni Bonn

Das Beben verschob auch die Erdachse ein wenig, so wie auch die Erdbeben in Chile im Februar 2010 und vor Sumatra im Jahr 2004. Doch das fällt nicht weiter auf: Die Achse ist nicht fest mit der Erde verbunden, sondern verschiebt sich ständig etwas und führt im Lauf der Zeit große Kreisbewegungen von zehn Metern Durchmesser aus.

Die Wucht des Erdbebens

Laut dem US-amerikanischen Institut für Geologische Überwachung, USGS, wurde bei dem Hauptbeben in Japan eine Energie von 1,9+ 5*10**17 Nm / Joule freigesetzt. Das entspricht umgerechnet etwa der Energie der stärksten je gezündeten Wasserstoffbombe. Das Beben löste einen Tsunami aus, der sich mit einer Geschwindigkeit von 800 Stundenkilometern über den Pazifik ausbreitete.

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