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Tsunami

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Ein Tsunami ist eine seismische Meereswoge, die überwiegend durch Seebeben (untermeerische Erdbeben) ausgelöst wird. Sie breitet sich mit hoher Geschwindigkeit (500 bis 1000 km/h) über weite Entfernungen (1000 bis 20.000 km) aus und kann in Ufernähe auf beträchtliche Höhe (bis zu 30 m) ansteigen. Tsunamis werden oft als Flutwellen bezeichnet, ihre Entstehung hat jedoch nichts mit den tageszeitlichen Wechseln zwischen Hoch- und Niedrigwasser (Ebbe und Flut) zu tun.

Starke Tsunamis können weiträumige katastrophale Schäden (Naturkatastrophe) verursachen und ganze Küstenstriche verwüsten. Eine solche Flutwelle traf beispielsweise am 26. Dezember 2004 14 Anrainerstaaten des Indischen Ozeans.

Etymologie

Der Begriff Tsunami (jap. 津波, Hafenwelle) wurde durch japanische Fischer geprägt, die vom Fischfang zurückkehrten und im Hafen alles verwüstet vorfanden, obwohl sie auf offener See keine Welle gesehen oder gespürt hatten. Eine Reihe verheerender Tsunamis zwischen 1945 und 1965 machte dieses Naturphänomen weltweit bekannt und bildete die Grundlage für wissenschaftliche Arbeiten, in deren Gefolge sich die japanische Bezeichnung als Internationalismus durchsetzte.

Entstehung

Etwa 86% aller Tsunamis werden durch unterseeische Erdbeben (Seebeben) verursacht; die übrigen 14% entstehen, wenn durch Vulkanausbrüche, küstennahe Bergstürze, Unterwasserlawinen oder Meteoriteneinschläge große Wassermassen abrupt verdrängt werden. 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 Kontinentalplatten 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 kritische Stärke von 7 oder mehr auf der Richterskala erreicht und
  • eine senkrechte Erdbewegung beinhaltet.

Nur 1% der Erdbeben zwischen 1860 und 1948 verursachten messbare Tsunamis. Da sich die sehr langwelligen Bewegungen aber weit ausbreiten können, 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 m hoch aufgeworfen werden, die tieferen Wasserschichten bleiben dabei jedoch unbewegt. 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) kann hingegen mehrere 100 km betragen. Der Wasserspiegel wird somit nur sehr 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, die auf einen Küstenkilometer auftrifft, in erster Näherung umgekehrt proportional zum Abstand vom Entstehungsort des Tsunami.

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 (d. h. reibungsfreien), inkompressiblen und wirbelfreien Flüssigkeit zu betrachten.

Die Theorie der Schwerewellen vereinfacht sich in den beiden Grenzfällen der Tiefwasserwelle und der Flachwasserwelle (siehe Wasserwelle). Normale Wellen, die durch Wind, fahrende Schiffe oder ins Wasser geworfene Steine verursacht werden, sind Tiefwasserwellen. Ein Tsunami hingegen ist auch im tiefsten Ozean eine Flachwasserwelle, da seine Wellenlänge deutlich größer als die Wassertiefe ist. Die Geschwindigkeit u einer solchen Welle (genauer: die Phasengeschwindigkeit) ergibt sich aus der Wurzel des Produkts von Erdbeschleunigung g und Wassertiefe h; also

Bei einer durchschnittlichen Wassertiefe der Ozeane von 4100 m 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 beobachtet 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 Wellenberge und -täler. 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

Durch den an der Küste ansteigenden Meeresboden entsteht dort die hohe Amplitude

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 m; als Rekordhöhe in flachem Gelände wurden 85 m berichtet (am 24. April 1971 in der Nähe der japanischen Insel Ishigaki). Läuft ein Tsunami in einen Fjord, so kann sich die Welle auf weit über 100 m aufstauen.

In einem Fjord in Alaska wurden mehrere Wellen mit rund 150 m und sogar eine mit bis zu 530 Meter Höhe nachgewiesen (Mega Tsunami). 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 Zufall kann ein Tsunami an einem Punkt der Küste zuerst als Wellenberg oder zuerst als Wellental beobachtet werden. Wenn letzteres der Fall ist, zieht sich zunächst die Küstenlinie zurück, unter Umständen um mehrere 100 m. 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 3 m 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 10 von ihnen zusammen mehr als 4.000 Menschenleben kosteten. Am 26. Dezember 2004 wurden durch den wohl bisher größten Tsunami in Südostasien mindestens 145.000 Menschen getötet (Stand: 31.12.2004, 10:00 GMT). Ausgelöst wurde die Welle durch ein Seebeben der Magnitude 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 letzen 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% der 150 registrierten Tsunamis Schäden an oder kosteten Menschenleben. Heutzutage verfügt Japan über ein effektiv funktionierendes Frühwarnsystem, für die Bevölkerung finden regelmäßig Trainingsprogramme statt. Viele japanische Küstenstädte schützen sich durch das Errichten riesiger Deiche.

In Indonesien dagegen wirkt sich noch heute die Hälfte der Tsunamis katastrophal aus, denn die meisten Küstenbewohner sind über Warnsignale, die einen Tsunami ankündigen, nicht informiert. Meistens ist auch das Land sehr flach und die Wassermassen fließen bis ins Landesinnere.

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.

Die größten Tsunamis

Großbrand und Tsunami in Lissabon 1755
  • 17. Juli 1998: An der Nordküste von Papua-Neuguinea werden 2.000 Menschen von einer Flutwelle getötet, die von einem Beben ausgelöst wurde.
  • 2. September 1992: An der Pazifikküste von Nicaragua werden ca. 180 Menschen von einer 10 Meter hohen Flutwelle getötet, die von einem Beben 120 km vor der Küste ausgelöst wurde.
  • 16. August 1976: Ein Tsunami im Morogolf kostet auf den Philippinen mehr als 5.000 Menschenleben.
  • 28. März 1964: Am Karfreitag löst ein Erdbeben vor Alaska an der gesamten Westküste der USA eine Flutwelle aus. In Alaska kommen 107, in Oregon vier und in Kalifornien elf Menschen ums Leben.
  • 22. Mai 1960: Eine elf Meter hohe Welle im Pazifik tötet in Chile 1.000 Menschen. Auf Hawaii kommen 61 ums Leben, doch kann durch ein erstes Warnsystem der Ort Hilo rechtzeitig evakuiert werden.
  • 9. Juli 1958: In der Lituya Bay (Alaska) entsteht durch einen Erdrutsch eine 524 m hohe Welle ([1], [2]).
  • 1. April 1946: Vor Alaska reißt eine Springflut infolge eines Erdbebens die fünfköpfige Besatzung eines Leuchtturms in den Tod. Stunden später erreicht die Welle das fast 3.700 km entfernte Hawaii, wo 159 Menschen sterben.
  • 31. Januar 1906: Die Küsten Kolumbiens und Ecuadors werden von einer verheerenden Flutwelle überschwemmt, 500 bis 1.500 Menschen kommen ums Leben.
  • 15. Juni 1896: Der so genannte Sanriku-Tsunami, eine Wasserwand von 23 m Höhe, überrascht Japan während religiöser Feierlichkeiten. 26.000 Menschen ertrinken.
  • 27. August 1883: Nach der Detonation des Vulkans Krakatau bewegt sich eine Druckwelle sieben Mal um die Erde. Sie löst in nahem Umkreis 40 m hohe Tsunamis und im 8.000 km entfernten Lake Taupo in Neuseeland einen Mikrotsunami aus, 36.000 Menschen sterben. Selbst an der Küste Großbritanniens steigt der Meeresspiegel um ca. einen halben Meter.
  • 1. November 1755: Die portugiesische Hauptstadt Lissabon wird von einem Brand zerstört, der in Folge eines Erdbebens ausbricht. Als die Einwohner vor den Flammen an das Ufer des Tejo flüchten, werden sie von haushohen Flutwellen überrascht. Zwei Drittel der Stadt werden zerstört, 60.000 Menschen sterben. Der Tsunami macht sich noch in Irland und jenseits des Atlantiks auf den kleinen Antillen bemerkbar, Madeira wird von 15 m hohen Wellen erreicht. (Das Erdbeben ist auch in Venedig deutlich zu spüren und wird sogar in Casanovas Memoiren erwähnt.)
  • 1628 v. Chr.: Eine Vulkanexplosion auf Santorin führt zu 60 m hohen Wellen im gesamten östlichen Mittelmeer. Dies soll zur Auslöschung der minoischen Kultur geführt haben.

Andere Riesenwellen

Riesenwellen, deren Ursprung nicht durch tektonische Aktivitäten verursacht wurden, werden z. B. 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 m 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 10 Wochen fanden sich auf den Satellitenbildern 10 Wellen mit mehr als 25 m Höhe). Einige der Forscher glauben danach, dass die meisten der ca. 200 Großschiffe mit über 200 m 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 dUnglück des Kreuzfahrtschiffes Bremen, das am 22. Februar 2001 im Südatlantik von einer 35 m hohen Welle getroffen wurde und nur knapp dem Untergang entging.

Weiterführende Informationen

Literatur

  • Landau und Lifschitz, Theoretische Physik Bd. VI: Hydrodynamik, Paragraph 12: Theorie der Schwerewellen
  • Geo 4/1997, S.74: Tsunami: Wenn das Meer aus heiterem Himmel tobt (von Erwin Lausch)
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