Ozeanographie

Seebeben als seismische Thermometer

Von Horst Rademacher
Aktualisiert am 11.10.2020
 - 15:17
Rund 4000 dieser Argo-Bojen messen rund um den Globus den Salzgehalt und die Wassertemperatur der Ozeane.zur Bildergalerie
Seismische Schallwellen, die von untermeerischen Erbeben erzeugt werden, breiten sich je nach Wassertemperatur unterschiedlich schnell aus. Forscher haben diesen Zusammenhang genutzt und gemessen, wie warm der Indische Ozean im Zuge des Klimawandels geworden ist.

Steigende Meeresspiegel, zunehmende Versauerung und kletternde Wassertemperaturen – der Klimawandel verändert die Weltmeere. Denn sie nehmen einen Großteil des Kohlendioxids und der Wärmemenge der Atmosphäre auf. So sind die Ozeane verglichen mit dem langjährigen Mittel zwischen 1981 und 2010 in den vergangenen fünf Jahren immer wärmer geworden, laut einer Studie vom Januar im Jahr 2019 sogar um durchschnittlich 0,075 Grad. Weil die Ozeane sehr viel Wärme über lange Zeiträume speichern können, bremsen sie gewissermaßen das Tempo des globalen Temperaturanstiegs. Für ihre Modelle müssen die Klimaforscher deshalb möglichst genau wissen, wie warm die Meere sind.

Doch die großflächige zuverlässige Messung der Temperatur des Meerwassers ist bis heute weitgehend unmöglich. Zwar haben die nahezu 4000 driftenden, autonom arbeitenden Argo-Bojen im Laufe der vergangenen Jahre zahlreiche Temperaturprofile in allen Weltmeeren aufgezeichnet. Hierbei handelt es sich aber um Punktmessungen, die nur wenig Schlüsse über die großräumigen Veränderungen der Wassertemperatur zulassen. Geophysiker vom California Institute of Technology in Pasadena haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem geringe Schwankungen der Wassertemperatur über ein großes Gebiet gemessen werden können. Als Sonden verwenden sie die von Erdbeben erzeugten Schallwellen, welche die Ozeanbecken über Strecken von vielen tausend Kilometern durchlaufen können.

Sogar um die halbe Welt übertragbar

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall im Wasser ist ein gutes Thermometer, denn die Schallgeschwindigkeit ändert sich mit der Temperatur. In wärmerem Wasser breitet sich der Schall schneller aus als bei kühleren Temperaturen. Schon vor hundert Jahren hatte der deutsche Ozeanograph Hugo Lichte bemerkt, dass die Schallgeschwindigkeit im Meer zwischen einem und zwei Kilometer Wassertiefe ein Minimum erreicht. Darüber nimmt sie zu, weil das Wasser nahe der Oberfläche immer wärmer wird. Dass die Schallgeschwindigkeit unterhalb von zwei Kilometer Tiefe ebenfalls zunimmt, ist auf den erhöhten hydrostatischen Druck in der Tiefsee zurückzuführen.

Die Beobachtung Lichtes hat interessante Konsequenzen für die Ozeanographie. Breitet sich nämlich eine Schallwelle in ein bis zwei Kilometer Tiefe aus, bleibt sie in dieser Schicht gleichsam gefangen. Sie wirkt wie ein Kanal, in dem Schallwellen – ähnlich wie Lichtwellen in einem Glasfaserkabel – ohne großen Energieverlust „geführt“ werden. Der untermeerische Schallkanal ist als „Sofar“-Kanal (Sound Fixing and Ranging) bekannt. Vor mehr als 30 Jahren konnte der amerikanische Ozeanograph John Spiesberger von der Pennsylvania State University nachweisen, dass sich Schall in dieser Schicht extrem weit ausbreiten kann. Seine Arbeitsgruppe hatte vor Kaneohe auf der Hawaii-Insel Oahu eine Schallquelle in dem Kanal versenkt. Die von ihr ausgesandten akustischen Signale wurden von Hydrophonketten noch in etwa 4000 Kilometer Entfernung vor der Küste Nordkaliforniens empfangen.

Wenige Jahre später zeigten Wissenschaftler um Walter Munk von der Scripps Institution of Oceanography in San Diego, dass im Sofar-Kanal Schallwellen sogar um die halbe Welt übertragen werden können. Von einem vor der Heard-Insel im südlichen Indischen Ozean liegenden Forschungsschiff sandte die Forschergruppe Schallwellen aus. Die Signale wurden Stunden später im Atlantik vor Bermuda und Neufundland, im Pazifik vor Kalifornien sowie im Indischen Ozean vor Java und vor der australischen Antarktis-Station Mawson empfangen.

Die Forscher um Spiesberger schlugen daraufhin vor, künstliche Schallquellen über Jahre hinweg zu nutzen und die Laufzeit der Töne zu den Empfängern möglichst genau zu messen. Würden im Laufe der Zeit Unterschiede in der registrierten Schallgeschwindigkeit auftreten, ließe das Schlüsse auf die Veränderungen der Meerwassertemperatur zu, so die Idee. Obwohl diese Messungen technisch durchaus möglich sind, wurden sie nie weiträumig verwirklicht. Umweltschützer befürchteten, der laute Schall würde die Meeressäuger langfristig schädigen, und die Verteidigungsministerien vieler Länder behaupteten, der Schall störe die Ortung feindlicher U-Boote.

Akustische Signale von mehr als 4200 Erdbeben ausgewertet

Die kalifornische Forschergruppe um Wenbo Wu hat nun herausgefunden, dass sich solche Messungen auch mit völlig natürlichen Quellen bewerkstelligen lassen, und zwar mit Erdbebenwellen, die das Meerwasser durchlaufen. Jedes Erdbeben erzeugt seismische Wellen, die nicht nur die feste Erdoberfläche zum Schwingen bringen und dadurch oft große Zerstörungen hervorrufen können. Auch wenn sie aus dem Erdinneren kommend den Meeresboden erreichen, so erzeugen sie im Wasser Schallwellen. Diese durchlaufen den Ozean und können in Küstennähe entweder mit Unterwassermikrofonen, sogenannten Hydrophonen, oder sogar mit Seismometern an Land gemessen werden. In der seismologischen Forschung haben diese durch das Meer laufenden Wellen sogar einen eigenen Namen: Sie heißen T-Wellen. Das „T“ steht für „tertiär“, weil diese Wellen lange nach den klassischen Primär- und Sekundärwellen auf einem Seismogramm als dritte Wellengruppe zu sehen sind.

Die Forscher um Wu haben nun die akustischen Signale von mehr als 4200 Erdbeben ausgewertet, die im Laufe von zwölf Jahren mit einem festen Seismometer auf der Insel Diego Garcia im Indischen Ozean aufgezeichnet wurden. Alle diese Beben ereigneten sich in etwa 3000 Kilometer Entfernung in der Nähe der kleinen Insel Nias vor Sumatra. Weil dort die Australische Platte unter die Sunda-Platte taucht, gehört dieses Gebiet zu den seismisch aktivsten Regionen auf der Erde. Dort fand beispielsweise auch das stärkste Erdbeben der vergangenen 50 Jahre, das Sumatra-Beben vom 28. Dezember 2004 mit einer Magnitude von 9,1 statt.

Weil sich alle diese Beben in einem im Vergleich zur Entfernung nach Diego Garcia recht kleinen Volumen der Erdkruste ereigneten, legten alle ihre seismischen Wellen den gleichen Weg durch das Erdinnere und durch den Indischen Ozean zurück. Aus Änderungen der Laufzeit dieser T-Wellen konnten die Forscher deshalb auf kleine Änderungen der Schallgeschwindigkeit und damit auf Variationen der Meerestemperatur schließen. Bei der Auswertung der Daten zeigte sich, dass die Wassertemperatur im Beobachtungszeitraum von 2004 bis 2016 mit den Jahreszeiten schwankte. Der Temperaturmittelwert hat sich aber in den zwölf Jahren um etwa drei Hundertstel Grad erhöht, schreiben Wu und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“. Das entspricht den Prognosen der Klimamodelle.

Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die Messung der Schallgeschwindigkeit im Meerwasser auch mit natürlichen, weder Meeressäuger noch U-Boot-Jäger störenden Signalen mit hoher Genauigkeit möglich ist. Da Seebeben in den meisten Ozeanen auftreten, ließen sich mit dem Verfahren präzise Temperaturprofile auch in anderen Teilen der Weltmeere erstellen und damit die Daten der Argo-Bojen ergänzen.

Quelle: F.A.Z.
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