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Tsunami
Ein Frühwarnsystem gibt bei Erdbeben der Stärke 4 automatisch Tsunamialarm ... Die Staaten am Indischen Ozean haben nach der Flutkatastrophe in Südasien 2004 …
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Grundprinzip und Entstehung
Ein Tsunami ist eine Abfolge besonders langer Wasserwellen, die durch eine plötzliche Verdrängung großer Wassermassen entsteht. Solche Wellen können sich über sehr große Entfernungen ausbreiten. In flachem Küstenwasser werden sie abgebremst, gestaucht und türmen sich zu hohen Flutwellen auf. Dadurch können sie mit großer Wucht weit über die Uferlinie vordringen. Beim Zurückweichen reißen sie Trümmer, Gegenstände, oft auch Menschen und Tiere, in Richtung Meer mit.
Etwa 90 % der Tsunamis werden durch starke Erdbeben unter dem Ozeanboden ausgelöst, sogenannte Seebeben. Weitere Ursachen sind Vulkanausbrüche, untermeerische Erdrutsche, das Hineinrutschen großer Erd- und Gesteinsmassen ins Wasser, heftige Winde bei Meteotsunamis, künstlich hervorgerufene Explosionen und äußerst selten der Einschlag eines Himmelskörpers. Auch Vulkane in oder am Wasser können Tsunamis verursachen, wenn Explosionen, Rutschungen oder Calderaeinbrüche große Gesteinsmassen bewegen.
Ein Erdbeben kann nur dann einen Tsunami auslösen, wenn drei Bedingungen erfüllt sind: Es erreicht eine Magnitude von 7 oder mehr, sein Hypozentrum liegt nahe der Erdoberfläche am Meeresgrund, und es verursacht eine vertikale Verschiebung des Meeresbodens, die die darüberliegende Wassersäule in Bewegung setzt. Zwischen 1860 und 1948 verursachte nur ein Prozent der Erdbeben messbare Tsunamis.
Besonders häufig entstehen Tsunamis im Pazifik. Etwa 80 % treten dort auf, vor allem am Pazifischen Feuerring. Dort schieben sich tektonische Platten der Lithosphäre, also der Erdkruste, in Subduktionszonen übereinander. Verhaken sich die Platten, bauen sich Spannungen auf, die sich plötzlich entladen können. Dabei verschieben sich Platten horizontal und vertikal; die vertikale Verschiebung hebt oder senkt Wassermassen, aus denen sich die Tsunamiwelle bildet.
Ausbreitung im Meer
Tsunamis unterscheiden sich stark von gewöhnlichen Windwellen. Windwellen sind oft Tiefwasserwellen: Sie bewegen nicht die ganze Wassersäule bis zum Meeresboden. Tsunamis haben dagegen sehr große Wellenlängen und sind fast überall Flachwasserwellen. Das bedeutet, dass die gesamte Wassersäule bewegt wird, auch im tiefsten Ozean.
Tsunamis sind Schwerewellen. Eine Schwerewelle entsteht, wenn eine Auslenkung des Wasserspiegels durch die Schwerkraft wieder ausgeglichen wird. Ein Tsunami ist daher keine Druckwelle und keine Schallwelle. Für das Verständnis der Bewegung sind Kompressibilität, Viskosität und Turbulenz nicht entscheidend. Mathematisch werden Tsunamis als Lösungen der Korteweg-de-Vries-Gleichung beschrieben.
Zwei Grundparameter beschreiben einen Tsunami vereinfacht: seine mechanische Energie E und seine Wellenperiode T. Die Wellenperiode ist die Zeit, in der zwei aufeinanderfolgende Wellenberge denselben Punkt passieren. Bei seismischen Tsunamis liegen die Wellenperioden meist zwischen zehn Minuten und zwei Stunden. Tsunamis, die nicht durch Erdbeben entstehen, haben oft kürzere Perioden von einigen Minuten bis zu einer Viertelstunde.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von der Wassertiefe h ab. Sie ergibt sich näherungsweise aus cT = √(g · h), wobei g = 9,81 m/s² die Erdbeschleunigung ist. In Ozeanen mit etwa 5000 m Tiefe erreicht ein Tsunami ungefähr 800 km/h, also etwa die Reisegeschwindigkeit eines Flugzeugs. Er kann in wenigen Stunden ganze Ozeane durchqueren und sich bis zu 20 000 km ausbreiten, ohne auf offener See direkt bemerkt zu werden.
Typische Wellenlängen liegen zwischen 100 km und 500 km. Für Wellen gilt c = λ/T, also Geschwindigkeit gleich Wellenlänge geteilt durch Wellenperiode. Mit einer Geschwindigkeit von 800 km/h ergeben sich typische Perioden von etwa 8 bis 40 Minuten. Auf offener See beträgt die Amplitude, also die Wellenhöhe, selten mehr als einige Dezimeter und bleibt deshalb für Schiffe meist unauffällig. Die Zerstörungskraft hängt nicht nur von der Amplitude ab, sondern vor allem von Wellenperiode und transportierter Wassermenge.
Küste, Wellenhöhe und Strömung
Wenn ein Tsunami die Küste erreicht, verändert er sich stark. In flacherem Wasser sinken Geschwindigkeit und Wellenlänge. Weil die Energie erhalten bleibt und sich auf weniger Raum konzentriert, steigt die Amplitude an. Die Welle wird gebremst, gestaucht und richtet sich auf. Typische Amplituden beim Auftreffen auf eine Küste liegen in der Größenordnung von 10 m.
Besondere Küstenformen können die Wirkung verstärken. In Buchten, Fjorden oder bei bestimmter Unterwassertopographie können Wassermassen fokussiert werden. Dann steigen Wellen besonders hoch. Am 24. April 1771 wurde bei der japanischen Insel Ishigaki eine Rekordhöhe von 85 m in flachem Gelände berichtet. An Tiefseesteilküsten können etwa 50 m erreicht werden, in Fjorden können sich Wellen auf weit über 100 m aufstauen. In der Lituya Bay in Alaska wurden Wellen nachgewiesen, die einen 520 m hohen Hügel überrollten; diese Megatsunamis entstanden aber durch Wasserverdrängung im Fjord selbst, nicht als Fernwirkung eines Erdbebens.
Ein Tsunami kann zuerst als Wellenberg oder als Wellental ankommen. Kommt zuerst ein Wellental, zieht sich das Meer plötzlich zurück, unter Umständen um mehrere hundert Meter. Dieses Zurückweichen ist ein gefährliches Warnzeichen, weil Menschen dadurch angelockt werden können, obwohl nur wenige Minuten bis zur Flutwelle bleiben.
In unmittelbarer Küstennähe ist nicht nur der steigende Wasserspiegel gefährlich, sondern vor allem die schnelle horizontale Bewegung des Wassers. Wenn die Amplitude A im Verhältnis zur Wassertiefe h groß wird, entsteht eine Stokes-Strömung. Sie kann mehrere Dutzend km/h erreichen und ist wesentlich für die Zerstörung verantwortlich. Die Wassermassen, die über die Küstenlinie auf Land vordringen, heißen Run-up. Die maximale Höhe über dem Meeresspiegel, die das Wasser erreicht, nennt man Auflaufhöhe.
Gefahren, Schäden und Schutz
Tsunamis gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen. Ein starker Tsunami kann seine Energie über Tausende Kilometer tragen oder sogar um den Erdball laufen. Schon wenige Meter hohe Wellen können ohne schützende Küstenfelsen mehrere hundert Meter ins Land eindringen. Die Höhe allein sagt nur begrenzt etwas über die Zerstörungskraft aus; entscheidend sind auch Wasservolumen, Küstenform und Landhöhe.
Am 26. Dezember 2004 tötete der große Tsunami in Südostasien mindestens 231.000 Menschen. Er wurde durch eines der stärksten Erdbeben seit Beginn der Aufzeichnungen ausgelöst. Die Wirkung beruhte besonders auf dem großen Wasservolumen pro Kilometer Küste, obwohl die Wellenhöhe meist nur wenige Meter betrug.
Tsunamis können Siedlungen, Häfen, Straßen, Eisenbahnen, landwirtschaftliche Flächen und Brunnen zerstören. Flächen können durch Versalzung und Versandung unbrauchbar werden. Schiffe werden an Land geworfen, Trümmer blockieren Verkehrswege, und niedrig gelegene Hafenbereiche oder Fischersiedlungen können lange unter Wasser stehen. Zusätzlich entstehen Gefahren durch Treibstoffe, Chemikalien, überflutete Kläranlagen, Fäkaliengruben sowie Leichen von Menschen und Tieren. In tropischen Regionen steigt dadurch die Gefahr von Trinkwasservergiftungen und Seuchen. Brände können durch gebrochene Gasleitungen, Kurzschlüsse und ausgelaufenen Treibstoff entstehen. 2011 kam es im japanischen Atomkraftwerk Fukushima nach der Katastrophe zu einer partiellen Kernschmelze und zur unkontrollierten Freisetzung radioaktiver Stoffe.
Schutz bieten vorgelagerte Riffe, Sandbänke, Flachwasserbereiche und manchmal Wellenbrecher. Solche Bauwerke können aber örtlich auch Durchflussgeschwindigkeit und Wellenhöhe erhöhen. Japan schützt einige Küstenstädte mit Deichen, die bis zu 10 m hoch und 25 m breit sind; Tore können in wenigen Minuten geschlossen werden. Ein absolut sicherer Schutz ist jedoch kaum erreichbar, außer niedrig gelegene Gebiete in gefährdeten Zonen nicht zu besiedeln.
Warnung und Verhalten
Frühwarnsysteme nutzen aus, dass seismische Wellen viel schneller sind als Tsunamiwellen. Ein dichtes Netz seismischer Stationen kann nach wenigen Minuten Ort und Stärke eines Erdbebens bestimmen und eine mögliche Tsunamigefahr abschätzen. GPS-Stationen messen Verschiebungen der Erdoberfläche zentimetergenau, Bojen können Tsunamiwellen auf hoher See direkt registrieren.
Im Pazifik wurde zwischen 1950 und 1965 ein Sensornetz eingerichtet, das Daten an das Pacific Tsunami Warning Center in Honolulu meldet. Dieses kann innerhalb von 20 bis 30 Minuten eine Warnung verbreiten. Nach der Flutkatastrophe in Südasien 2004 beschlossen auch Staaten am Indischen Ozean den Aufbau eines Frühwarnsystems. Indonesien nutzt das German Indonesian Tsunami Early Warning System (GITEWS), das seit März 2011 operativ in Betrieb ist. Malaysia baute das Malaysian National Tsunami Early Warning System auf, das eine Alarmierung innerhalb von zwölf Minuten nach dem Ereignis ermöglicht. Seit 2007 wird auch im Nordostatlantik, Mittelmeerraum und angrenzenden Meeren ein System aufgebaut. Ein Problem aller Systeme sind Falschalarme, weil unnötige Evakuierungen teuer sind und Vertrauen in Warnungen schwächen können.
Bei akuter Gefahr empfiehlt das Deutsche Geoforschungszentrum Potsdam, Informationen und Warnungen der örtlichen Behörden zu beachten und weiterzugeben. Auf offener See soll man Abstand zur Küste halten und keinesfalls in den Hafen einfahren. An Land soll man zu Fuß möglichst küstenferne, erhöhte Orte aufsuchen. Bei sehr kurzer Vorwarnzeit kann ein stabiles neueres Gebäude mit hochgelegenen Stockwerken sicherer sein als eine Flucht ins Landesinnere. Nach der ersten Welle bleibt Gefahr bestehen, weil weitere Wellen folgen können und später sogar höher sein können.
Binnentsunamis und typische Merkmale
Tsunamis entstehen nicht nur in Ozeanen, sondern auch auf Binnenseen. Solche Binnentsunamis entstehen durch Erdbeben oder Rutschungen, die die Seefläche erreichen oder unter Wasser stattfinden. In der Schweiz sind mehrere Ereignisse durch historische Dokumente oder Sedimentablagerungen belegt. Beim Tauredunum-Ereignis von 563 löste ein Erdrutsch am Ostende des Genfersees einen 13 m hohen Tsunami aus. Weitere Beispiele sind Binnentsunamis am Vierwaldstättersee 1601 und 1687 sowie am Lauerzersee 1806.
2009 schwemmte ein eher kleiner Tsunami im Concordiasee in Sachsen-Anhalt ein Ausflugsschiff auf das gegenüberliegende Ufer. In der Nacht vom 23. auf den 24. Juli 2014 löste ein Erdrutsch im Askja-Gebiet in Island mehrere etwa 50 m hohe Tsunamis im Öskjuvatn aus; dabei glitten geschätzte 50 Mio. m³ Gestein ab.
Typisch für Tsunamis ist, dass sie aus mehreren langperiodischen Wellen bestehen. Die Wellenberge folgen im Abstand von einigen zehn Minuten bis zu über einer Stunde, und oft erreicht nicht die erste Welle die größte Höhe. In tiefem Wasser sind die Wellenhöhen meist kleiner als 1 m, die Abstände zwischen den Wellenbergen betragen dort einige 100 km. In flachem Wasser verkürzen sich diese Abstände bis auf etwa 10 km. An Küsten, besonders in flachen Buchten, können sich die Wassermassen über 10 m, in Extremfällen auch mehr als 30 m bis 50 m hoch auftürmen und flaches Land bis zu mehreren Kilometern landeinwärts überfluten. Der 5. November wurde von der UNESCO zum Welt-Tsunami-Tag erklärt, um auf dieses Phänomen und seine Gefahren aufmerksam zu machen.
