1. Was ist ein Tsunami?
2. Die Physik eines Tsunamis
3. Was passiert mit einem Tsunami, wenn er sich dem Land nähert?
4. Wie werden Tsunamis gemessen oder beobachtet?
5. Der Tsunami im Indischen Ozean vom 26. Dezember 2004

Was ist ein Tsunami?

Ein Tsunami ist eine Reihe von Meereswellen mit sehr großen Wellenlängen (typischerweise Hunderte von Kilometern), die durch großräumige Störungen des Ozeans verursacht werden, wie z.B.:

• Erdbeben
• Erdrutsche
• Vulkanausbrüche
• Explosionen
• Meteoriten

Diese Störungen können entweder von unten kommen (z.z. B. Unterwasser-Erdbeben mit großen vertikalen Verschiebungen, submarine Erdrutsche) oder von oben (z. B. Meteoriteneinschläge).

Tsunami ist ein japanisches Wort mit der englischen Übersetzung: “Hafenwelle”. In der Vergangenheit wurden Tsunamis auch als “Flutwellen” oder “seismische Meereswellen” bezeichnet. Der Begriff “Gezeitenwelle” ist irreführend, denn obwohl die Auswirkungen eines Tsunamis auf eine Küste vom Gezeitenstand zum Zeitpunkt des Auftreffens des Tsunamis abhängen, haben Tsunamis nichts mit den Gezeiten zu tun. (Die Gezeiten ergeben sich aus den Gravitationseinflüssen von Mond, Sonne und Planeten.) Der Begriff “seismische Meereswelle” ist ebenfalls irreführend. “Seismisch” impliziert einen erdbebenbedingten Entstehungsmechanismus, aber ein Tsunami kann auch durch ein nicht-seismisches Ereignis wie einen Erdrutsch oder einen Meteoriteneinschlag ausgelöst werden.

Tsunamis werden auch oft mit Sturmfluten verwechselt, obwohl es sich um ganz unterschiedliche Phänomene handelt. Eine Sturmflut ist ein rascher Anstieg des Meeresspiegels an der Küste, der durch ein bedeutendes meteorologisches Ereignis verursacht wird – diese Ereignisse werden oft mit tropischen Wirbelstürmen in Verbindung gebracht.

Die Physik eines Tsunamis

Tsunamis können Wellenlängen von 10 bis 500 km und Wellenperioden von bis zu einer Stunde haben. Aufgrund ihrer großen Wellenlängen wirken Tsunamis wie Flachwasserwellen. Eine Welle wird zu einer Flachwasserwelle, wenn die Wellenlänge im Vergleich zur Wassertiefe sehr groß ist. Flachwasserwellen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit c, die von der Wassertiefe abhängt und durch die folgende Formel gegeben ist:

wobei g die Erdbeschleunigung (= 9,8 m/s2) und H die Wassertiefe ist.

In der Tiefsee beträgt die typische Wassertiefe etwa 4000 m, so dass sich ein Tsunami mit etwa 200 m/s oder mehr als 700 km/h fortbewegt.

Bei Tsunamis, die durch Unterwasserbeben ausgelöst werden, wird die Amplitude des Tsunamis durch den Betrag bestimmt, um den sich der Meeresboden verschiebt. Ebenso werden Wellenlänge und Periode des Tsunamis durch die Größe und Form der Unterwasserstörung bestimmt.

Tsunamis können sich nicht nur mit hoher Geschwindigkeit ausbreiten, sondern auch große Entfernungen mit geringen Energieverlusten zurücklegen. Während sich der Tsunami über den Ozean ausbreitet, können die Wellenberge eine Brechung (Krümmung) erfahren, die dadurch verursacht wird, dass sich Segmente der Welle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wenn die Wassertiefe entlang des Wellenbergs variiert.

Was passiert mit einem Tsunami, wenn er sich dem Land nähert?

Wenn ein Tsunami das tiefe Wasser des offenen Ozeans verlässt und in das flachere Wasser in Küstennähe gelangt, verändert er sich. Wenn Sie den Abschnitt “Die Physik eines Tsunamis” gelesen haben, wissen Sie, dass die Geschwindigkeit eines Tsunamis mit der Wassertiefe zusammenhängt – wenn also die Wassertiefe abnimmt, wird der Tsunami langsamer. Der Energiefluss des Tsunamis, der sowohl von der Wellengeschwindigkeit als auch von der Wellenhöhe abhängt, bleibt nahezu konstant. Folglich nimmt die Höhe des Tsunamis zu, wenn seine Geschwindigkeit abnimmt. Dies wird als Untiefenbildung bezeichnet. Aufgrund dieses Untiefeneffekts kann ein Tsunami, der auf See nicht wahrnehmbar ist, in Küstennähe mehrere Meter oder mehr hoch werden.

Die Zunahme der Wellenhöhe des Tsunamis, wenn er in flaches Wasser eintritt, ist gegeben durch:

wobei hs und hd die Wellenhöhen im flachen und tiefen Wasser und Hs und Hd die Tiefen des flachen und tiefen Wassers sind. So hätte ein Tsunami mit einer Höhe von 1 m im offenen Ozean mit einer Wassertiefe von 4000 m eine Wellenhöhe von 4 bis 5 m in 10 m tiefem Wasser.

Wie andere Wasserwellen auch, verlieren Tsunamis Energie, wenn sie an Land eilen – ein Teil der Wellenenergie wird an Land reflektiert, während die sich landwärts ausbreitende Wellenenergie durch Bodenreibung und Turbulenzen abgeleitet wird. Trotz dieser Verluste erreichen Tsunamis die Küste immer noch mit enormen Energiemengen. Je nachdem, ob der erste Teil des Tsunamis, der die Küste erreicht, ein Wellenkamm oder ein Wellental ist, kann er als schnell steigende oder fallende Flut erscheinen. Die örtliche Bathymetrie kann auch dazu führen, dass der Tsunami als eine Reihe von brechenden Wellen erscheint.

Tsunamis haben ein großes Erosionspotenzial, indem sie Strände von Sand befreien, der sich möglicherweise erst nach Jahren angesammelt hat, und Bäume und andere Küstenvegetation untergraben. Sie können Hunderte von Metern über den typischen Hochwasserstand hinaus landeinwärts überschwemmen, und das schnell fließende Wasser des überschwemmenden Tsunamis kann Häuser und andere Küstenstrukturen zerstören. Tsunamis können an Land eine maximale vertikale Höhe über dem Meeresspiegel erreichen, die oft als Auflaufhöhe bezeichnet wird und mehrere zehn Meter beträgt.

Wie werden Tsunamis gemessen oder beobachtet?

In der Tiefsee hat ein Tsunami eine kleine Amplitude (weniger als 1 Meter), aber eine sehr große Wellenlänge (Hunderte von Kilometern). Das bedeutet, dass die Neigung oder Steilheit der Welle sehr gering ist, so dass sie für das menschliche Auge praktisch nicht wahrnehmbar ist. Es gibt jedoch Instrumente zur Beobachtung der Ozeane, die Tsunamis aufspüren können.

Gezeitenpegel

Gezeitenpegel messen die Höhe der Meeresoberfläche und werden in erster Linie zur Messung der Gezeitenstände verwendet. Die meisten der vom National Tidal Centre des Bureau of Meteorology betriebenen Gezeitenpegel sind SEAFRAME-Stationen (Sea Level Fine Resolution Acoustic Measuring Equipment). Diese bestehen aus einem akustischen Sensor, der mit einem vertikalen, am unteren Ende offenen Rohr verbunden ist, das sich im Wasser befindet. Der akustische Sensor sendet einen Schallimpuls aus, der sich vom oberen Ende des Rohrs bis zur Wasseroberfläche ausbreitet und dann im Rohr zurückreflektiert wird. Anhand der Laufzeit des Impulses kann dann die Entfernung zum Wasserspiegel berechnet werden. Dieses System filtert kleinräumige Effekte wie Windwellen heraus und ist in der Lage, Änderungen des Meeresspiegels mit einer Genauigkeit von 1 mm zu messen.

Der Gezeitenpegel auf Cocos Island beobachtete den Tsunami am 26. Dezember 2004, als er an der Insel vorbeizog, wie diese Beobachtungen im Dezember zeigen.

Satelliten

Satellitenaltimeter messen die Höhe der Meeresoberfläche direkt mit Hilfe von elektromagnetischen Impulsen. Diese werden vom Satelliten auf die Meeresoberfläche gesendet, und die Höhe der Meeresoberfläche kann bestimmt werden, indem man die Geschwindigkeit des Impulses, den Standort des Satelliten und die Zeit misst, die der Impuls braucht, um zum Satelliten zurückzukehren. Ein Problem bei dieser Art von Satellitendaten ist, dass sie sehr spärlich sein können – einige Satelliten überfliegen einen bestimmten Ort nur etwa einmal im Monat, so dass man Glück haben kann, wenn man einen Tsunami entdeckt, da er sich so schnell bewegt. Während des Tsunamis im Indischen Ozean am 26. Dezember 2004 war der Höhenmesser des Jason-Satelliten jedoch zufällig zur richtigen Zeit am richtigen Ort.

Das folgende Bild zeigt die Höhe der Meeresoberfläche (in blau), die vom Jason-Satelliten zwei Stunden nach dem ersten Erdbeben am 26. Dezember 2004 in der Region südöstlich von Sumatra (in rot) gemessen wurde. Die Daten wurden von einem Radarhöhenmesser an Bord des Satelliten entlang einer den Indischen Ozean durchquerenden Spur aufgenommen, als die Tsunamiwellen gerade den gesamten Golf von Bengalen gefüllt hatten. Die gezeigten Daten sind die Unterschiede in der Höhe der Meeresoberfläche im Vergleich zu früheren Beobachtungen, die 20-30 Tage vor dem Erdbeben entlang der gleichen Spur gemacht wurden, und zeigen die Signale des Tsunamis.

Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech

Das DART-System

Im Jahr 1995 begann die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) mit der Entwicklung des DART-Systems (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Gegenwärtig ist eine Reihe von Stationen im Pazifischen Ozean installiert. Diese Stationen liefern detaillierte Informationen über Tsunamis, während sie noch weit vor der Küste sind. Jede Station besteht aus einem Druckaufzeichnungsgerät für den Meeresboden, das den Durchgang eines Tsunamis feststellt. (Der Druck in der Wassersäule hängt mit der Höhe der Meeresoberfläche zusammen). Die Daten werden dann per Sonar an eine Oberflächenboje übertragen. Die Boje an der Oberfläche sendet die Informationen dann per Satellit an das Pacific Tsunami Warning Center (PTWC). Der Bodendruckschreiber hat eine Lebensdauer von zwei Jahren, während die Oberflächenboje jedes Jahr ausgetauscht wird. Das System hat die Vorhersage und Warnung vor Tsunamis im Pazifik erheblich verbessert.

Der Tsunami im Indischen Ozean vom 26. Dezember 2004

Ein Unterseebeben im Indischen Ozean löste am 26. Dezember 2004 einen Tsunami aus, der eine der größten Naturkatastrophen der modernen Geschichte verursachte. Mehr als 200.000 Menschen sollen ihr Leben verloren haben.

Die Wellen verwüsteten die Küsten von Teilen Indonesiens, Sri Lankas, Indiens, Thailands und anderer Länder mit bis zu 15 m hohen Wellen, die bis nach Somalia an der Ostküste Afrikas reichten, 4500 km westlich des Epizentrums. Durch die Brechung und Beugung der Wellen wurden die Auswirkungen des Tsunamis auf der ganzen Welt wahrgenommen, und auch an Orten wie Brasilien und Queensland wurden die Auswirkungen des Tsunamis durch Meeresspiegelüberwachungsstationen registriert.

Diese Animation (10.4Mb) wurde von Wissenschaftlern des Nationalen Gezeitenzentrums des Bureau of Meteorology erstellt. Mit Hilfe eines numerischen Modells wurde die Entstehung und Ausbreitung des Tsunamis nachgebildet, und sie zeigt, wie sich die Wellen in den Ozeanbecken der Welt ausbreiten.

Das Erdbeben ereignete sich gegen 1 Uhr UTC (8 Uhr Ortszeit) im Indischen Ozean vor der Westküste Nordsumatras. Mit einer Stärke von 9,0 auf der Richterskala war es das stärkste seit dem Erdbeben von 1964 vor Alaska und das viertstärkste seit 1900, dem Beginn der genauen weltweiten seismographischen Aufzeichnungen.

Das Epizentrum des Bebens befand sich etwa 250 km süd-südöstlich der indonesischen Stadt Banda Aceh. Es handelte sich um ein seltenes Megaschubbeben und ereignete sich an der Schnittstelle der tektonischen Platten Indiens und Burmas. Es wurde durch die Freisetzung von Spannungen verursacht, die beim Abtauchen der indischen Platte unter die überlagernde burmesische Platte entstehen. Bei einem Megathrust-Erdbeben schiebt sich eine tektonische Platte unter eine andere und verursacht eine vertikale Bewegung der Platten. Diese große vertikale Verschiebung des Meeresbodens löste den verheerenden Tsunami aus, der in einem großen Gebiet rund um den Indischen Ozean Schäden verursachte.

Das Erdbeben war auch von ungewöhnlich großer geografischer Ausdehnung. Schätzungsweise 1200 km Verwerfungslinie verschoben sich innerhalb weniger Minuten um etwa 15 m entlang der Subduktionszone. Da die 1.200 km Verwerfungslinie, die von dem Beben betroffen war, nahezu in Nord-Süd-Richtung verlief, war die größte Stärke der Wellen in Ost-West-Richtung zu verzeichnen. Bangladesch, das am nördlichen Ende des Golfs von Bengalen liegt, hatte nur sehr wenige Opfer zu beklagen, obwohl es ein bevölkerungsreiches, tiefliegendes Land ist.

Aufgrund der großen Entfernungen benötigte der Tsunami zwischen fünfzehn Minuten und sieben Stunden (für Somalia), um die verschiedenen Küsten zu erreichen. (Siehe diese Karte der Reisezeit). Die nördlichen Regionen der indonesischen Insel Sumatra wurden sehr schnell getroffen, während Sri Lanka und die Ostküste Indiens etwa zwei Stunden später betroffen waren. Thailand wurde ebenfalls etwa zwei Stunden später getroffen, obwohl es näher am Epizentrum lag, da sich der Tsunami in der flachen Andamanensee vor seiner Westküste langsamer ausbreitete.

Bei seiner Ankunft an der Küste variierte die Höhe des Tsunamis stark, je nach Entfernung und Richtung vom Epizentrum und anderen Faktoren wie der örtlichen Bathymetrie. Berichten zufolge reichte die Höhe von 2-3 m an der afrikanischen Küste (Kenia) bis zu 10-15 m auf Sumatra, der Region, die dem Epizentrum am nächsten lag.