Richterskala

Definition und heutige Bedeutung

Die Richterskala ist eine Magnitudenskala zur Angabe der Stärke von Erdbeben. Sie bestimmt die Stärke anhand der Amplituden, also der maximalen Ausschläge, in Seismogrammen. Weil die ursprüngliche Messung für Erdbeben in relativ geringer Entfernung von wenigen hundert Kilometern zum Epizentrum entwickelt wurde, heißt sie auch Lokal­beben-Magnitude oder M_L-Skala.

Heute werden Erdbeben meist mit Messgeräten auf der gesamten Erdoberfläche aufgezeichnet. Der daraus bestimmte Wert wird in der Regel auf der Momenten-Magnituden-Skala als Momenten-Magnitude M_W angegeben. Die häufige Bezeichnung solcher Werte als „Richterskala“ in der Presse ist daher oft nicht korrekt. Die Richterskala beschreibt außerdem nicht unmittelbar die Zerstörungskraft an einem bestimmten Ort. Die beobachteten Bodeneffekte hängen zusätzlich von der Entfernung zum Epizentrum, der Herdtiefe und den örtlichen geologischen Bedingungen ab.

Entstehung der Skala

Charles Francis Richter und Beno Gutenberg entwickelten die Skala 1935 am California Institute of Technology. Sie wurde zunächst als M_L-Skala (Magnitude Local) bezeichnet.

Richter übertrug dabei auf kalifornische Erdbeben die grundlegende Idee einer instrumentellen Erdbebenskala, die K. Wadati 1931 veröffentlicht hatte. Die Bezeichnung und Berechnung bezogen sich zunächst besonders auf die regionalen Bedingungen Südkaliforniens.

Grundlagen und Grenzen

Nach ihrer mathematischen Definition ist die Richterskala nach oben unbegrenzt. Die physikalischen Eigenschaften der Erdkruste machen Erdbeben mit einer Stärke von 9,5 oder höher jedoch nahezu unmöglich, weil das Gestein nicht genügend Energie speichern kann und sich vorher entlädt. Die Bezeichnung „nach oben offen“ dient vor allem dazu, die instrumentelle Magnitudenskala von Intensitätsskalen abzugrenzen, die die Wirkungen und Zerstörungen eines Bebens beschreiben.

Wie die meisten Magnitudenskalen zeigt auch die Richterskala bei großen Werten eine Sättigung. Wenn die freigesetzte Energie weiter zunimmt, steigt die angezeigte Magnitude dann nur noch wenig; die Skala verliert ihre Linearität. Für Werte oberhalb von 6,5 ist die Richterskala deshalb nicht geeignet. Solche Angaben beruhen in der Regel auf anderen Magnitudenskalen.

Berechnung und Bedeutung der Magnitude

Die Magnitude ergibt sich aus dem dekadischen Logarithmus des maximalen Ausschlags im Seismogramm:

M_L = log₁₀(A_max / A₀)

A_max bezeichnet den maximalen Ausschlag in Mikrometern (μm), den ein kurzperiodisches Standardseismometer, der Wood-Anderson-Seismograf, bei einem Beben in 100 km Entfernung vom Epizentrum aufzeichnen würde. A₀ ist der Bezugswert. Bei anderen Entfernungen muss er zur Korrektur an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden.

Dabei wird die Dämpfung der Amplitude berücksichtigt. Sie hängt unter anderem von der regionalen Geschwindigkeits- und Dämpfungsstruktur, dem Alter und der Zusammensetzung der Erdkruste, der Herdtiefe sowie den Wärmeflussbedingungen ab. Die von Richter verwendeten Kalibrierungsfunktionen gelten streng genommen nur für Südkalifornien und müssen für andere Regionen gesondert bestimmt werden.

Wegen des dekadischen Logarithmus bedeutet ein Anstieg um einen Magnitudenpunkt ungefähr den zehnfachen Ausschlag im Seismogramm und näherungsweise die 32-fache Energiefreisetzung im Erdbebenherd. Magnituden von 2 oder weniger gelten als Mikroerdbeben; sie werden von Menschen oft nicht wahrgenommen und nur von lokalen Seismografen erfasst. Beben ab etwa 4,5 können von Seismografen weltweit registriert werden. Für die Bezeichnung als mäßiges Erdbeben muss die Stärke jedoch über 5 liegen.

Einteilung und typische Auswirkungen

Den Magnituden werden typische Wirkungen im Bereich des Epizentrums und ungefähre Häufigkeiten zugeordnet. Diese Werte sind Richtwerte, weil die tatsächlichen Schäden auch von Entfernung, Herdtiefe und lokalen geologischen Bedingungen abhängen.

• Unter 2,0: Mikroerdbeben, nicht spürbar; etwa 8000 Ereignisse pro Tag ab Magnitude 1,0; bis 1 t TNT-Äquivalent.
• 2,0 bis unter 3,0: extrem leicht, generell nicht spürbar, aber messbar; etwa 1500 pro Tag; 1 bis 32 t Energie.
• 3,0 bis unter 4,0: sehr leicht, oft spürbar, Schäden sehr selten; etwa 135 pro Tag; 32 bis 1000 t.
• 4,0 bis unter 5,0: leicht, Zimmergegenstände bewegen sich sichtbar und Erschütterungsgeräusche können auftreten; meist keine Schäden; etwa 35 pro Tag; 1 bis 32 kt.
• 5,0 bis unter 6,0: mittelstark, ernste Schäden an anfälligen Gebäuden, leichte oder keine Schäden an robusten Gebäuden; etwa 4,5 pro Tag beziehungsweise 1600 pro Jahr; 32 bis 1000 kt.
• 6,0 bis unter 7,0: stark, Zerstörung in einem Umkreis bis zu 70 km; etwa 130 pro Jahr; 1 bis 32 Mt.
• 7,0 bis unter 8,0: groß, Zerstörung über weite Gebiete; etwa 13 pro Jahr; 32 bis 1000 Mt.
• 8,0 bis unter 9,0: sehr groß, Zerstörung in Bereichen von einigen hundert Kilometern; etwa 0,9 pro Jahr; 1 bis 32 Gt.
• 9,0 bis unter 10,0: extrem groß, Zerstörung in Bereichen von tausend Kilometern; fünf Ereignisse in 122 Jahren (1952, 1960, 1964, 2004 und 2011); 32 bis 1000 Gt.
• Ab 10,0: globale Katastrophe; noch nie registriert. Der Asteroideneinschlag im Yucatán vor 66 Millionen Jahren soll möglicherweise ein Beben von ungefähr 11,0 ausgelöst haben. Geschätzte 30 bis 50 m hohe Tsunamiwellen führten zu weltweiten Überflutungen der Landmassen. Die angenommene Häufigkeit liegt bei etwa einem Ereignis in 66 Millionen Jahren, die Energie bei mindestens 1000 Gt.

Negative Werte und andere Skalen

Richter legte die Magnitude 0 auf eine Bodenschwingung fest, die ihm als kleinstmöglicher messbarer Wert erschien: Ein Seismometer sollte in 100 km Entfernung vom Erdbebenherd einen Ausschlag von 1 μm registrieren. Moderne elektronische Seismografen können jedoch mehr als 1000-mal kleinere Bodenbewegungen messen. Deshalb können heute sehr schwache, lokal gerade noch messbare Beben negative Magnituden von etwa −2 bis −3 haben.

Ein Beben der Stärke −3 entspricht einer Energie von 125 J beziehungsweise 30 mg TNT. Das entspricht dem Fallenlassen eines 6-kg-Hammers aus 2 m Höhe. Solche schwachen Erschütterungen entstehen ständig auch durch nichtgeologische Vorgänge wie Straßenverkehr, Bauarbeiten, Produktionsmaschinen oder Gewitter. Nachweisbare Gravitationswellen entsprechen einer Stärke von ungefähr −12 auf der Richterskala.

Die Richterskala wird häufig mit Intensitätsskalen verglichen, obwohl diese nach einem grundsätzlich anderen Ansatz arbeiten. Die modifizierte Mercalliskala und die MSK-Skala beschreiben die Stärke eines Bebens anhand subjektiver und objektiver Wirkungen; die MSK-Skala besitzt zwölf Stärkegrade. In Japan ist die JMA-Skala als Intensitätsskala verbreitet, während dort die JMA-Magnituden-Skala für Magnituden verwendet wird. Die heute oft genutzte Momenten-Magnituden-Skala M_W beruht dagegen auf physikalischen Parametern im Erdbebenherd.

Der Zusammenhang zwischen Magnitude M und der äquivalenten explosiven Energie W in Tonnen TNT lässt sich näherungsweise angeben als: M = 2 + (2/3) log₁₀ W beziehungsweise W = 10^(1,5(M−2)) = (A_max/(100 A₀))^1,5 ≈ 31,6^M/1000.