Tsunami

Ein Tsunami ist eine seismische Meereswoge, die überwiegend durch Erdbeben auf dem Meeresgrund (Seebeben) ausgelöst wird. Sie breitet sich mit hohen Geschwindigkeiten (von 500 bis 1.000 km/h) über Entfernungen von bis zu 20.000 km aus und kann in Ufernähe einer Tiefseesteilküste auf eine Höhe von etwa 50 Meter ansteigen. Die Geschwindigkeit eines Tsunamis hängt von der Meerestiefe ab; je tiefer das Meer, desto schneller und je flacher, desto langsamer ist der Tsunami. Seine Höchstgeschwindigkeit erreicht er bei einer Meerestiefe von etwa 6.000 Metern. Wenn der Küste eine Inselkette oder ein Korallenriff vorgelagert ist, bricht die Welle schon weit draußen auf dem Meer.

Tsunamis werden oft als Flutwellen bezeichnet; ihre Entstehung hat jedoch nichts mit den tageszeitlichen Wechseln zwischen Ebbe und Flut zu tun.

Starke Tsunamis können weiträumige katastrophale Schäden verursachen und ganze Küstenstriche verwüsten. Eine solche Naturkatastrophe traf beispielsweise am 26. Dezember 2004 14 Anrainerstaaten des Indischen Ozeans (siehe auch: Erdbeben im Indischen Ozean 2004). Bei diesem Unglück starben nach neuesten Schätzungen mehr als 280.000 Menschen; etwa zehn Millionen Menschen wurden obdachlos.
Entstehung
Etwa 97% aller Tsunamis werden durch Seebeben verursacht, die restlichen entstehen durch die abrupte Verdrängung großer Wassermassen bedingt durch Vulkanausbrüche, küstennahe Bergstürze, Unterwasserlawinen oder Meteoriteneinschläge. Auch Nuklearexplosionen können Tsunamis auslösen.

Tsunamis treten am häufigsten im Pazifik auf: Am Rand des Stillen Ozeans, in der Subduktionszone des Pazifischen Feuerrings, schieben sich tektonische Platten der Erdkruste (Lithosphäre) übereinander, wodurch Vulkanismus, See- und Erdbeben verursacht werden.

Ein Seebeben kann nur dann einen signifikanten Tsunami verursachen, wenn

* sein Hypozentrum nahe der Erdoberfläche liegt,
* es eine Magnitude von 7 oder mehr auf der Richterskala erreicht und
* eine senkrechte Erdbewegung enthält.

Nur ein Prozent der Erdbeben zwischen 1860 und 1948 verursachten messbare Tsunamis. Da sich die leichte Erdbewegung aber über das Medium Wasser weit ausbreiten kann, sind größere Schäden als bei gleichstarken Beben an Land möglich.
Ausbreitung
Tsunamis unterscheiden sich grundlegend von Wellen, die durch Stürme entstehen, denn bei diesen kann das Wasser zwar unter außerordentlichen Bedingungen bis zu 30 Meter hoch aufgeworfen werden, die tieferen Wasserschichten bleiben dabei jedoch unbewegt. Winderzeugte Wellen erreichen Geschwindigkeiten zwischen 8 bis 100 km/h bei Wellenlängen zwischen 100 bis 200 Meter und Wellenperioden - die Zeit, die vergeht, in der zwei Wellenberge denselben Punkt passieren - von fünf bis zwanzig Sekunden. Bei einem Tsunami bewegt sich dagegen das gesamte Wasservolumen, also die gesamte Wassersäule vom Meeresboden bis zur Meeresoberfläche.

Die Wellenhöhe (Amplitude) hängt vom Energiegehalt des Tsunamis und der Wassertiefe ab. Auf dem offenen Ozean beträgt sie selten mehr als einige Dezimeter. Die Wellenlänge, also die Entfernung von einem Wellenberg zum nächsten, liegt zwischen 100 bis 500 km, die Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen 800 bis 1100 km/h bei Wellenperioden zwischen zehn Minuten und zwei Stunden. Der Wasserspiegel wird somit nur langsam und nur um einen geringen Betrag angehoben und wieder abgesenkt, weshalb das Auftreten eines Tsunamis auf offener See meist gar nicht bemerkt wird. Je größer die Wellenlänge, desto geringer sind die Energieverluste während der Wellenausbreitung. Bei kreisförmiger Ausbreitung ist die Energie, mit der eine Welle auf einen Küstenstreifen auftrifft, in erster Näherung umgekehrt proportional zum Abstand vom Entstehungsort des Tsunami.

Grundsätzlich repräsentiert eine Welle keine Bewegung von Wasser sondern Bewegung von Energie durch Wasser. Aus physikalischer Sicht ist Wellenausbreitung immer dann möglich, wenn eine Auslenkung aus einer Gleichgewichtslage, in diesem Fall ein Anstieg oder Abfall des Wasserspiegels, eine entgegengerichtete Rückstellkraft zur Folge hat. Bei Ozeanwellen wirkt als Rückstellkraft die Schwerkraft, die auf eine möglichst horizontale Wasseroberfläche hinarbeitet. Aus diesem Grund werden Tsunamis zu den Schwerewellen gezählt. Ein Tsunami ist also insbesondere keine Druck- und keine Schallwelle; Kompressibilität, Viskosität und Turbulenz sind nicht relevant. Um die Physik eines Tsunamis zu verstehen, genügt es, die Potentialströmung einer idealen, also reibungsfreien, inkompressiblen und wirbelfreien Flüssigkeit zu betrachten. Mathematisch werden Tsunamis durch die Soliton-Lösungen der Korteweg-de Vries Gleichung beschrieben. Die Theorie der Schwerewellen vereinfacht sich in den beiden Grenzfällen der Tief- und der Flachwasserwelle. Normale Wellen, die beispielsweise durch Wind, fahrende Schiffe oder ins Wasser geworfene Steine verursacht werden, sind meist Tiefwasserwellen, da sich ihre Wellenbasis in der Regel über dem Grund des Gewässers befindet, also dort wo die Welle keine Auswirkungen mehr hat. Ein Tsunami hingegen ist auch im tiefsten Ozean eine Flachwasserwelle, da die gesamte Wassersäule bewegt wird und sich auch am Ozeanboden eine langsamere Bewegung in Richtung der Wellenausbreitung feststellen lässt. Dieser Charakter ergibt sich daraus, dass bei Tsunamis die Wellenlänge größer ist als die Wassertiefe.

Bei einer durchschnittlichen Wassertiefe der Ozeane von 4.100 Metern und g = 9,81 m/s2 ergibt sich eine Geschwindigkeit der Größenordnung 200 m/s bzw. 700 km/h. Das ist vergleichbar mit der Reisegeschwindigkeit eines Flugzeugs; Tsunamis können somit binnen einiger Stunden ganze Ozeane durchqueren, ohne dabei unmittelbar bemerkt zu werden.

Schwerewellen kommen durch die gleichtaktige Bewegung großer Wassermassen zustande. Jedes einzelne Teilvolumen des Wassers bewegt sich dabei nur um winzige Beträge. Für eine Flachwasser-Schwerewelle mit der Amplitude a in einem Gewässer der Tiefe h kann man das sogar quantitativ angeben: Die Geschwindigkeit, mit der sich die an der Welle beteiligte Materie zirkulär bewegt, ist um einen Faktor a/h kleiner als die Phasengeschwindigkeit der Welle. Für einen großen Tsunami liegt dieser Faktor in der Größenordnung 10-5: Wenn sich eine Welle im offenen Meer mit u = 200 m/s ausbreitet, bewegen sich die Wasserelemente nur mit 2 mm/s, was gegenüber Strömungen und Windwellen völlig vernachlässigbar und nicht direkt beobachtbar ist.
Auftreffen auf die Küste

In Küstennähe wird das Wasser flach. Das hat zur Folge, dass Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit abnehmen (proportional zu h1/2), die Amplitude der Welle und die Geschwindigkeit der beteiligten Materie aber zunehmen (proportional zu h-1/4 respektive h-3/4). Die Energie der Tsunamiwelle wird dadurch immer stärker konzentriert, bis sie mit voller Wucht auf die Küste auftrifft. Der Energiegehalt eines Wellenzuges ergibt sich als Querschnitt mal Wellenlänge mal Teilchengeschwindigkeit-zum-Quadrat und ist in erster Näherung unabhängig von h.

Typische Amplituden beim Auftreffen eines Tsunamis auf die Küste liegen in einer Größenordnung von 10 Meter; am 24. April 1971 wurde in der Nähe der japanischen Insel Ishigaki von einer Rekordhöhe von 85 Metern in flachem Gelände berichtet. Läuft ein Tsunami in einen Fjord, so kann sich die Welle auf weit über 100 Meter aufstauen.

In einem Fjord in Alaska wurden mehrere Wellen mit rund 150 Metern und sogar eine mit bis zu 530 Metern Höhe nachgewiesen (Megatsunami). Diese gigantischen Wellen entstanden jedoch nicht als Fernwirkung eines Seebebens, sondern durch Wasserverdrängung im Fjord selbst: Heftige Erdbeben ließen Berge in den Fjord rutschen und brachten diesen schlagartig zum Überlaufen.

Die Änderung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit bei Annäherung des Tsunami an die Küste hängt vom Tiefenprofil des Meeresbodens ab. Je nach örtlichen Gegebenheiten kann es dabei zu Brechungseffekten kommen: So wie Licht beim Übergang von Luft in Wasser oder Glas seine Richtung ändert, so ändert auch eine Tsunamiwelle ihre Richtung, wenn sie schräg durch eine Zone läuft, in der sich die Meerestiefe ändert. Je nach Ursprungsort des Tsunami und Unterwassertopographie kann es dabei zur Fokussierung des Tsunami auf einzelne Küstenbereiche kommen. Dieser Effekt ist von der Trichterwirkung eines Fjords nicht scharf zu trennen und kann sich mit dieser überlagern.

Wie ein akustisches Signal, so besteht auch ein Tsunami nicht aus einer einzelnen Welle, sondern aus einem ganzen Paket von Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden. Wellen unterschiedlicher Frequenz breiten sich mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Deshalb addieren sich die einzelnen Wellen eines Pakets in von Ort zu Ort und von Minute zu Minute unterschiedlicher Weise. Je nach Ursache kann ein Tsunami an einem Punkt der Küste zuerst als Wellenberg oder zuerst als Wellental beobachtet werden. Ist die Ursache des Tsunamis ein Hangabrutsch oder Herunterbrechen einer Kontinentalplatte, so wird Wasser zur Sohle hin beschleunigt. Wasser wird komprimiert und es entsteht zunächst ein Wellental. Danach expandiert das Wasser wieder auf sein ursprüngliches Volumen und der Wellenberg entsteht. Beim Eintreffen der Welle an der Küste zieht sich zunächst die Küstenlinie zurück, unter Umständen um mehrere 100 Meter. Wenn der Tsunami eine unvorbereitete Bevölkerung trifft, kann es geschehen, dass die Menschen durch das ungewöhnliche Schauspiel des zurückweichenden Meeres angelockt werden, statt dass sie die verbleibenden Minuten bis zur Ankunft der Flutwelle nutzen, um sich auf höher gelegenes Gelände zu retten.

Auswirkungen und Schutzmaßnahmen
Tsunamis zählen zu den verheerendsten Naturkatastrophen, mit denen der Mensch konfrontiert werden kann, denn ein mächtiger Tsunami kann seine zerstörerische Energie über Tausende von Kilometern weit mitführen oder sogar um den ganzen Erdball tragen. So wird ein Tsunami als Auslöser für die biblische Sintflut vermutet. Ohne schützende Küstenfelsen können schon drei Meter hohe Wellen mehrere hundert Meter tief ins Land eindringen. Die Schäden, die ein Tsunami beim Vordringen verursacht, werden noch vergrößert, wenn die Wassermassen wieder abfließen. Die Gipfelhöhe eines Tsunamis hat nur bedingte Aussagekraft über seine Zerstörungskraft. Gerade bei niedrigen Landhöhen kann auch eine niedrige Wellenhöhe von nur wenigen Metern ähnliche Zerstörungen wie ein großer Tsunami mit über 31 Metern anrichten.

In den letzten zehn Jahren wurden weltweit 82 Tsunamis registriert, wobei zehn von ihnen zusammen mehr als 4.000 Menschenleben kosteten. Am 26. Dezember 2004 wurden durch den wohl bisher größten Tsunami in Südostasien ca. 280.000 Menschen getötet (Stand: 25. Januar 2005, 20.00 MEZ). Ausgelöst wurde die Welle durch ein Seebeben der Stärke 9,0 auf der Richterskala. Es war seit Beginn der weltweiten Aufzeichnungen erst das vierte Beben dieser Stärke. Die verheerende Wirkung beruhte hier vor allem auf dem großen Wasservolumen, das pro Kilometer Küstenlinie auf das Land traf, während die Wellenhöhe mit zumeist nur wenigen Metern vergleichsweise niedrig war.

Japan musste aufgrund seiner geografischen Lage in den letzten tausend Jahren die meisten Todesopfer durch Tsunamis beklagen; in dieser Zeit starben über 160.000 Menschen. In den letzten 100 Jahren richteten jedoch nur 15 Prozent der 150 registrierten Tsunamis Schäden an oder kosteten Menschenleben. Heutzutage verfügt Japan über ein effektives Frühwarnsystem; für die Bevölkerung finden regelmäßig Trainingsprogramme statt. Viele japanische Küstenstädte schützen sich durch das Errichten riesiger Deiche, z. B. ein 10 Meter hoher und 25 Meter breiter Wall auf der Insel Okushiri.

In Indonesien dagegen wirkt heute noch die Hälfte der Tsunamis katastrophal, denn die meisten Küstenbewohner sind über die Anzeichen, die einen Tsunami ankündigen, nicht informiert. Meistens ist auch das Land sehr flach und die Wassermassen fließen bis ins Landesinnere (siehe auch Erdbeben im Indischen Ozean 2004).

Nicht nur die Anrainerstaaten der Pazifikküste sind von Tsunamis betroffen. Auch an den europäischen Küsten treten diese Riesenwellen auf, wenn auch wesentlich seltener. Da die Afrikanische Platte sich nach Norden unter die Europäische Platte schiebt, können Seebeben im Mittelmeer und im Atlantik entstehen.

Um die Tsunami-Schäden einzuschränken, wurden überall auf der Erde Seismographen unter Wasser installiert, bisher jedoch kaum im Indischen Ozean. Eine wichtige Rolle bei der Auswertung der Daten spielt das Pacific Tsunami Warning Center (PTWC) in Honolulu auf Hawaii, das zwischen 1950 und 1965 schrittweise aufgebaut wurde. Fehlalarme können allerdings bei einer unnötigen Evakuierung hohe Kosten verursachen und das Vertrauen der Menschen in die Prognosen untergraben.

Ein neues weltweites System soll Mitte 2005 in Betrieb gehen. Für die Erkennung von den Erdbeben werden die seismologischen Auswertungen der UNO herangezogen werden, die normalerweise für die Überwachung des Atomsperrvertrages verwendet werden. Dazu müssen nur die Meldesysteme in die nationalen Alarmsysteme integriert werden, da die Erkennungsmöglichkeiten schon vorhanden sind. Die Meldungen dieser künstlichen durch Nuklearexplosionen hervorgerufenen oder natürlichen Erdbeben laufen in Wien bei der IAEA zusammen.

Auswirkungen auf den Menschen

* Ertrinken: Menschen werden durch die starken Strömungen ins Meer gespült. Andere ertrinken weil sie nicht schwimmen können oder durch Erschöpfung.
* Unterkühlung: Bei niedriger Wassertemperatur kühlt der Körper im Wasser sehr schnell aus. Hierdurch können Menschen durch Erfrieren umkommen oder erkranken.
* Schnittwunden, Prellungen, Quetschungen, innere Blutungen: Menschen werden mitgerissen und von Gegenständen die im Wasser mittreiben oder solchen die fix bleiben (z. B. Felsen, Steinmauern) verletzt.
* Verschüttet werden in Gebäuden, die unter dem Druck des Wassers zusammenbrechen.

Indirekte Auswirkungen

Außer den unmittelbaren Folgen für die betroffenen Menschen gibt es bei großen Tsunamis auch erhebliche Spätfolgen:

* Hunger, Durst: Zerstörte Infrastruktur verunmöglicht die Grundversorgung mit sauberem Wasser und Nahrungsmitteln
* Krankheiten, Epidemien: Wenn verstreute Leichen nicht schnell genug bestattet werden können und die ärztliche Versorgung zusammenbricht, können Krankheiten/Seuchen entstehen und sich ausbreiten.
* Armut: Die breite Zerstörung beraubt viele Menschen ihrer Lebensgrundlagen und Erwerbsmittel.

Schutzmaßnahmen für Menschen

Viele Staaten haben Frühwarnsysteme eingerichtet, da diese die Tsunamis schon bei der Entstehung erkennen - sie zeichnen die seismographischen Plattenbewegungen auf - und durch den gewonnenen Zeitvorsprung die Küsten evakuiert werden können. Leider besitzen einige von der Gefahr betroffene Staaten diese Systeme nicht und das Informationsnetz ist so schlecht ausgebaut, dass eine Vorwarnung nur eingeschränkt oder überhaupt nicht möglich ist.

Wenn man von einem Tsunami betroffen ist, sollte man unbedingt folgende Sicherheitsmaßnahmen beachten:

* sich ins Landesinnere begeben
* nicht in Ufernähe schlafen oder leben (Mindestabstand 300 Meter)
* sich auf eine Anhöhe begeben (mindestens 30 Meter Höhe)
* dort wo vorhanden, Alarmsirenen beachten (Da in vielen Gegenden Tsunamis selten sind und gelegentlich Fehlalarm gegeben wird, kommt es vor, dass viele Menschen die Alarmsirenen ignorieren.)
* mit mehreren Wellen rechnen und nicht nach der ersten oder zweiten Welle zurückkehren (Zwischen den Wellen weicht das Meer sehr weit zurück. Das ist als Alarmzeichen zu begreifen.)
* sich auf einem starken Baum in Sicherheit bringen
* sich auf etwas schwimmfähigem aufhalten (Dach, große Türe, Tor)
Megatsunami
Als Megatsunami bezeichnet man ein ähnliches Phänomen wie den Tsunami, die einzigen Unterschiede sind die Art der Entstehung und die Kraft mit der sie auftreten.
Gefahrenzonen
Heute gibt es nur einige wenige Orte, an denen die Gefahr für die Entstehung eines Megatsunami besteht. Besonderen Augenschein hat man hierbei auf Inseln mit vulkanischem Ursprung wie die Kanarischen Inseln oder Hawaii gelegt. Dass die Kanarischen Inseln eine solche Gefahr darstellen, bewies sich vor rund 300.000 Jahren, als ein Teil der Insel Hierro ins Meer rutschte, einen Megatsunami auslöste und an der Ostküste der heutigen USA hausgroße Felsen mehrere hundert Meter ins Landesinnere trug. Die Gefahr eines derartigen Inselrutsches wird von Wissenschaftlern heutzutage besonders bei La Palma (Kanarische Inseln) gesehen, auf der sich eine Woche nach dem letzten Vulkanausbruch 1949 beinahe die Hälfte des Berges auf einer Länge von 20 km um bis zu vier Meter westwärts in Richtung Meer geschoben hat und einen großen Riss im vulkanischen Basalt entstehen ließ. Bei einer erneuten Eruption kann sich aufgrund verschiedenartigen Gesteins und diverser Wasserdepots innerhalb des (aktiven) Vulkanberges ein massiver Teil des Vulkans lösen und ins Meer fallen, so dass vor allem die dicht besiedelte amerikanische Ostküste massiv bedroht ist. Ähnliche Voraussetzungen weist ein großer Bruch auf Hawaii auf mit dem Unterschied, dass dieser nahezu senkrecht verläuft, also kein allzu großes Gefahrenpotenzial besitzt.

Andere Riesenwellen
Riesenwellen, deren Ursprung nicht durch tektonische Aktivitäten verursacht wurde, werden zum Beipsiel am Kap Hoorn oder in anderen Regionen regelmäßig beobachtet; sie werden in der Seemannsprache auch Kaventsmann genannt. Sehr lange wurden sie als Seemannsgarn belächelt, bis Satellitenaufnahmen und andere Messungen ihre Existenz bewiesen. Etwa jede 3000. Welle ist doppelt so hoch wie der Durchschnitt der anderen Wellen. Etwa alle 20 Jahre, so die statistische Wahrscheinlichkeit, kann ein Schiff von einer Riesenwelle oder Monsterwelle (25 bis 35 Meter hoch) überrascht und schwer beschädigt oder gar zerstört werden. Neuere Auswertungen von Satellitendaten bei der ESA ergaben, dass diese Wellen allerdings sehr viel häufiger auftreten, als bisher angenommen (in einem Zeitraum von nur drei Wochen fanden sich auf den Satellitenbildern 10 Wellen mit mehr als 25 Metern Höhe). Einige der Forscher glauben danach, dass die meisten der rund 200 Großschiffe mit über 200 Metern Länge, die in den letzten 20 Jahren gesunken sind, direkt oder indirekt durch solche Wellen versenkt wurden.

Große Aufmerksamkeit erregte um Weihnachten 1978 der Fall des deutschen LASH-Carriers (Lighter Aboard Ship) München, das mit 28 Mann Besatzung im Atlantik nördlich der Azoren fast spurlos verschwand. Die Seeamtsverhandlung ergab, dass vermutlich eine Riesenwelle das Schiff zunächst manövrierunfähig machte und dann untergehen ließ.

Mit am bekanntesten im Zusammenhang mit einer Riesenwelle wurde das Unglück des Kreuzfahrtschiffes Bremen, das am 22. Februar 2001 im Südatlantik von einer 35 Meter hohen Welle getroffen wurde und nur knapp dem Untergang entging.

Man vermutet, dass diese Riesenwellen durch Überlagerung von mehreren normalen Wellen entstehen. Dabei können Wellen bis zu 40 Metern Höhe entstehen. Warum gerade an gewissen Stellen wie Kap Hoorn häufiger solche Riesenwellen beobachtet werden, wird seit einigen Jahren erforscht. Die Wellengleichung von Schrödinger Schrödinger-Gleichung liefert in einem ihrer Ansätze eine Lösung zu diesen Wellenformen. Dies bekräftigt die Vermutung, dass die Riesenwellen durch Überlagerung von kleineren Wellen entstehen können.
Erklärung und Bild aus www.wikipedia.de