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Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Wie entsteht ein Tsunami ? Friedemann Wenzel Geophysikalisches Institut der Universität Karlsruhe.

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1 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Wie entsteht ein Tsunami ? Friedemann Wenzel Geophysikalisches Institut der Universität Karlsruhe

2 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Wie entsteht ein Tsunami ? Ursachen von Tsunamis Tsunami vom 26. Dezember 2004 Physik von Wasserwellen Wirkungen und Schäden Frühwarnung

3 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Ursachen von Tsunamis Störung im Meer, die große Wassermassen schnell aus ihrem Gleichgewicht bringt Explosive massive Vulkanausbrüche: Große Meteoriteneinschläge Massive Erdrutsche Erdbeben mit Tiefen 7 Tsunami sind seltene Ereignisse: ca. 200 seit Mitte des 19. Jhdt.

4 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Explosion des Krakatau km/h, 40 m hoch an der Küste 3600 Tote im Umkreis von 80 km 295 Orte zerstört Tsunamis durch Tsunamis durch Vulkanausbrüche 16.5 % durch tektonische Beben in Verbindung mit dem Vulkanausbruch 20% durch Rutschungen in den Ozean 14% durch Unterwasser-Ausbrüche 7% durch Einsturz des Vulkans 92 Tsunamis in Zusammenhang mit Vulkanausbrüchen, davon:

5 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunamis durch Rutschungen

6 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Meteoriteneinschlag Auf der Erde: ca. 150 Impaktkrater, nicht nur Ozeane Meist jünger als 500 Millionen Jahre. Asteroiden DurchmesserWellenhöhe in 1000 km Entfernung vom Impakt 200 m< 5 m 500 m< 10 m 1000 m6-35 m Crawford and Mader, 1998, Hills and Goda, 1998

7 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunamis durch Erdbeben

8 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Erdbeben erzeugt Vertikalversatz am Meeresboden, der das Wasser verdrängt Langperiodische Wellen breiten sich aus Tsunami Erzeugung

9 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Subduktion der indischen Platte unter die Burma-Platte als Teil Eurasiens mit 6 cm/Jahr

10 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Strike=329°; Dip= 8°; Slip= 110° (Aufschiebung) Magnitude9.3 Bruchneigung10° Bruchlänge : 1300 km nach N, 100 km in Neigungsrichtung Bruchfläche130,000 km 2 Tsunami Bruchlänge650 km Bruchgeschwindigkeit2.7 km/s in NW- Richtung Maximaler Versatz20 m Sumatra-Beben vom 26. Dezember 2004, 00:58:53 GMT (7:58:53 lokal)

11 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Segmente: Sumatra Nicobar Andaman Sumatra-Beben vom 26. Dezember 2004 Bruchgeschwindigkeit (km/s) - 1 Min 1.5 km/s - 5 Min 3.0 km/s - 11 Min 2.0 km/s

12 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Segmente: Sumatra Nicobar Andaman Sumatra-Beben vom 26. Dezember Sek 1 – 2 m Versatz Sek5 – 20 m Versatz Sek 5 m Versatz Sek 2 m Versatz Sek 5 m Versatz 5 m Versatz

13 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Räumliche und zeitlicheTsunami-Ausbreitung Simulation

14 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni :59Beginn des Erdbeben vor Sumatra 07:07PTWC löst Alarm aus 07:14PTWC Bulletin 1: M = 8.0, keine Gefahr für Pazifische Anlieger 07:30Tsunami erreicht Sumatra 08:00PTWC Bulletin 2: M = 8.5, Tsunami Gefahr für indischen Ozean, Warnung an Kollegen erfolglos Erdbeben vor Sumatra 26. Dezember 2004 M = 9.0

15 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni :00Tsunami erreicht Sri Lanka 09:15Tsunami erreicht Indien 10:00Tsunami erreicht die Malediven 11:30Harvard Magnitudenberechnung: M = :15PTWC informiert U.S. State Department über Gefahr für Afrika und Madagaskar 14:15Tsunami erreicht Ostafrika 21:30PTWC warnt, dass der Tsunami den Pazifik erreicht hat

16 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunami Physik Geschwindigkeit: km/h oder m/s auf offener See Wellenlängen : km, Wellenhöhe im offenen Meer m km/h an der Küste Perioden: s (33 Min.) Eigenschaften Tsunami: Geschwindigkeit: ca.90 km/h oder 25 m/s auf offener See Wellenlängen : m Wellenhöhe bis 10er m Perioden: 5-20 s Eigenschaften Windwellen: Tsunamis dauern sehr lange im Vergleich zu Erdbeben

17 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Ausbreitung des Tsunamis

18 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunami Wellen H r leicht zu messen, H 0, H t, H s schwierig zu beobachten

19 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Strömungsmechanik I Impulserhaltung Navier Stokes Gleichung Annahme: Strömung ist reibungsfrei

20 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Strömungsmechanik II Massenerhaltung Annahme:Material ist inkompressibel Folgen:Keine Schallwellen Strömung ist wirbelfrei Nur kinetische und potenzielle Energie als Energieformen

21 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Strömungsmechanik III Potenzialströmung (Laplace Gleichung)

22 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Strömungsmechanik IV Strömung folgt der Laplace – Gleichung und Randbedingungen

23 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Langwellen Approximation im flachen Wasser

24 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Kurzwellig Wassertiefe d >> l Wasserwellen sind Oberflächenwellen Langwellig Wassertiefe d << l normale Dispersion V g =V p Physik der Tsunamis nicht dispersiv

25 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Dispersion von Wasserwellen v g : Gruppengeschwindigkeitv p : Phasengeschwindigkeit Frequenzg Schwere Oberflächenspannung des Wassers Wellenlänge d Wassertiefe >> d 1.7 cm << d << 1.7 cm Oberflächenspannung von Wasser T= kg/s 2

26 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Form der Tsunamiwellen Sinusförmige Wellen:Lineare Wellen Stokes Wellen:Nichtlineare Wellen Solitonen: Geschwindigkeit von Amplitude abhängig Beobachtungen: Wellen brechen oft nicht Zurückweichen des Wassers vor Ankunft des Wellenberges

27 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunami in Küstennähe Aufsteilen von Tsunami- Wellen in Küstennähe Hinzu kommen nichtlineare und Resonanzeffekte H t und H s im Vergleich zu H 0

28 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Run-up Höhe Die Run-up Höhe (H r ) kann ein Mehrfaches der Wellenhöhe am Strand (H s ) sein. Tsunami Run-up nach dem Alaska- Beben 1964

29 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 n = für flaches Weideland n = 0.03 für bebautes Land n = 0.07 für dicht bewaldetes Land Eindringtiefe (Innudation)

30 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Photo: Murat Saatcioglu, Ahmed Ghobarah, Ioan Nistor Stahlbeton-Rahmenbau

31 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Beton Rahmenbau Photos: Murat Saatcioglu, Ahmed Ghobarah, Ioan Nistor

32 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni Januar Dezember 2004 Ort: Lhoknga, Indonesia Tsunami Schäden

33 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni April Januar 2005 Tsunami Schäden

34 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Photo: Jose Borrero Tsunami Schäden

35 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Kao Lak Resort Naval Base building Photo: Curt Edwards Thailand Tsunami Schäden

36 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunami Schäden

37 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Schadenswirkung

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39 Vier Komponenten der Frühwarnung Prognose: modellierte Wellenhöhe Monitoring- und Kommunikationssysteme Prognosetools Warnung Nutzung der Information

40 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Pacific Tsunami Warning Center (PTWC) Gegründet 1949 Warnungen zunächst nur für USA (Westküste und Hawaii) Ab 1960 Warnungen ausgedehnt auf alle Pazifischen Anrainer 1965 Einrichtung als Internationales Zentrum (International Tsunami Information Center) auf Initiative der UNESCO mit heute 26 Mitgliedsstaaten Prozedur: 1.Seismologische Magnituden-Bestimmung 2.Falls 6.5 < M w < 7.5 (Aleuten 7.0) Tsunami Information Bulletin an Teilnehmer 3.Falls M w > 7.5 (Aleuten 7.0) 4.Tsunami Warning /Watch Bulletin an Institutionen der Teilnehmer 5.Analyse ob Ereignis einen Tsunami auslösen kann 6.Beobachtung der Wasserstandsmessungen im Pazifik 7.Informationen an die Institutionen der Teilnehmer 8.Kommunikation:Internet, Satellit, Fax/Telex 9.Weiterleitung der Warnung an die Bevölkerung erfolgt nach nationalen Katastrophenplänen (Radio, Fernsehen, , etc.)

41 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Im Rahmen des Programms Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) wurden bis 2001 im Pazifik 6 Druckmesser mit Bojen verankert, die via Satellit Daten an das National Data Buoy Center der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) schicken.

42 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 West Coast/Alaska Tsunami Warning Center (WC/ATWC ) Operation: (1) Auslösen eines internen Alarms durch ausgesuchte seismische Stationen (2) Automatische Herdparameter- und Magnitudenbestimmung (3) Manuelle Kontrolle durch Wissenschaftler Echtzeit Seismisches Netz von ca. 150 Stationen Automatische Detektion von M b, M L, M S und M W aus Oberflächenwellen Eine erste Warnung erfolgt wenn M > 7.0 inklusive der ungefähren Ankunftszeit eines Tsunamis (4) Anfordern von Wasserstandsdaten im Pazifik (inklusive DART Daten) Wenn Ablesungen an Wasserstandsmessern (etwa 100 verfügbar plus 6 DART Stationen) vermuten lassen, dass die Tsunami Welle höher als 50 cm ist werden die Warnungen fortgesetzt, ansonsten entwarnt.

43 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 (5) Verifizierung eines Tsunamis und Vergleich mit Modellen Tsunami-Amplituden außerhalb der Entstehungsregion, auf der Basis von Modellen und Beobachtungen erfolgen bislang nur intern. (6) Information an Katastrophenschutz Warnungen enthalten: Erdbebenparameter Erdbebenbeschreibung Ankunftszeit des Tsunamis für 24 Orte der Westküste und Alaskas Warnungen und Entwarnungen erfolgen in Abstimmung mit dem PTWC Seit 1980 erfolgten 11 Warnungen nach 8 bis 14 Minuten

44 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Komponenten eines Frühwarnsystem im Indischen Ozean + Echtzeit Erdbebenklassifizierung (GEOFON) + Ozeanboden Drucksensoren + Messung der Meereswellen mit GPS – Bojen + Modellierung der Tsunami- Ausbreitung

45 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Vorbeugen ist besser als Wiederaufbau KonstruktivSchulung Gefährdungsanalysen Raumplanung Bewaldung von Küsten Schutzwälle Stahlbetonbauten Frühwarnung Schutzmassnahmen:

46 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Gefährdung durch Tsunamis im südlichen Europa und Nordafrika nach Munich Re, 2000

47 Wie entsteht ein Tsunami ? Karlsruhe 15. Juni 2005 Tsunami Gefährdung Wiederkehr (in Jahren) von run-ups Region5 Meter10 Meter Nordatlantik 200 >1000 Westl. Mittelmeer Adria 200 >1000 Östl. Mittelmeer Schwarzes Meer 200 >1000 Benfield Greig Hazard Research Centre, London


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