Was für Schäden ein Erdbeben hinterlässt, hängt von mehreren Faktoren ab. Die Eigenschaften des Erdbebens, wie seine Stärke und Tiefe, sind ein Faktor. Einen enorm wichtigen Faktor stellen auch die lokalen geologischen Gegebenheiten dar, der sogenannte Standort-Effekt. Dieses Phänomen, das durch die spezifischen Eigenschaften des oberflächennahen Bodens und des Grundgesteins verursacht wird, kann seismische Wellen, wenn sie die Oberfläche erreichen, dramatisch verändern oder verstärken.
Für die Stadtplanung und Risikominderung ist es von größter Bedeutung, eine hochauflösende räumliche Karte dieses Standorteffekts zu erstellen. Auf Basis dieser Daten können Bauingenieur:innen und politische Entscheidungsträger:innen genauer beurteilen, welche städtischen Gebiete und Strukturen bei zukünftigen Erdbeben der größten mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Außerdem dienen sie der Erstellung von Bodenbewegungskarten, den sogenannten ShakeMaps.
Aktuell ist die genaue Kartierung und Quantifizierung des seismischen Standorteffekts – insbesondere mit der für die Stadtplanung erforderlichen hohen räumlichen Auflösung – eine Herausforderung. Um gleichzeitig die räumliche Auflösung von ShakeMaps zu verbessern und ihre Unsicherheit zu verringern, sind datenintensive Messungen der Bodenbeschleunigungen, der Geschwindigkeit und der Richtung eines Erdbebens erforderlich.
Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie berichtet jedoch von einem Durchbruch. Das Team aus Wissenschaftler:innen hat entdeckt, dass detaillierte Standortverstärkungskarten, also Tools, die zeigen, um wie viel der lokale Boden die Bodenerschütterungen eines Erdbebens voraussichtlich verstärken (die Intensität erhöhen) wird, mit den Smartphones der Bürger:innen erstellt werden können.
Beschleunigungsmesser sind seit 2007 in unseren Handys enthalten
Beschleunigungsmesser sind in fast jedem Smartphone zu finden. Mit der Veröffentlichung des iPhone im Jahr 2007 wurden sie eingebaut, um die automatische Ausrichtung des Bildschirms zu steuern. Seitdem übernehmen sie jedoch viele neue Aufgaben, darunter die Analyse unserer körperlichen Aktivität in unseren Gesundheits-Apps, in Spielen und zur Ausrichtung des Telefons in unseren Karten-Apps. Sie sind also ohnehin ziemlich nützlich. Die Studie zeigt jedoch, dass es durch die Kombination von Tausenden von Messungen aus der italienischen Region Campi Flegrei mit statistischen Modellen möglich ist, die Bodenerschütterungen auch anhand von Daten aus Beschleunigungsmessern zu kartieren.
Tatsächlich erreichen die Messungen der Beschleunigungsmesser einen Detail-Grad, der weit über das hinausgeht, was seismische Stationen liefern können. Diese Informationen sind für die Bewertung des Erdbebenrisikos von entscheidender Bedeutung. Und sie tragen dazu bei, nach einem seismischen Ereignis schnellere Notfallmaßnahmen einzuleiten.
Ein bürgerwissenschaftlicher Ansatz zur Erdbebenkartierung
Die Entwicklung von ShakeMaps mit höherer Auflösung mithilfe von Verbrauchertechnologien wird derzeit global vorangetrieben. Dazu gehört die Integration der räumlich dichten Beschleunigungsmessungen, die von Smartphones gesammelt werden, die am Earthquake Network (EQN) teilnehmen, einer entscheidenden Entwicklung im Bereich der Echtzeit-Erdbebenüberwachung und Frühwarnsysteme. Das Earthquake Network (EQN), ein 2013 von Francesco Finazzi ins Leben gerufenes Citizen-Science-Projekt, hat über 20 Millionen Teilnehmer:innen und zeigt das enorme, aktuell noch ungenutzte Potenzial von Crowdsourcing-Erdbebendaten.
Das System funktioniert so, dass die teilnehmenden Telefone Erschütterungen erkennen und die Daten dann an einen zentralen Server senden. Dadurch wird innerhalb von Sekunden eine Warnung an die Nutzer:innen in der Umgebung ausgelöst. Damit sollen die Empfänger:innen hoffentlich den entscheidenden Zeitvorsprung bekommen, um sich schnell in Sicherheit zu bringen.
Dass Smartphones für die seismische Überwachung effektiv sind, hat sich schon gezeigt. Nun soll mit diesem Ansatz ermittelt werden, ob sie auch für die Kartierung von Bodenerschütterungen verwendet werden können. Dies ist eine Herausforderung, da die Smartphone-Daten inkonsistent sind. Die Beschleunigungsmesserwerte werden durch Gebäudeeigenschaften, Geräteposition und -platzierung beeinflusst. All diese Faktoren können zu Messungen führen, die sich erheblich von denen professioneller seismischer Instrumente unterscheiden.
Um das Zusammenspiel zwischen Smartphone- und Stationsaufzeichnungen zu nutzen, wandten die Autor:innen ein räumliches statistisches Modell an. Diese Methode gleicht geräte- und gebäudespezifische Effekte aus und ermöglicht die Identifizierung des zugrunde liegenden Verstärkungsmusters. Während einzelne Smartphone-Aufzeichnungen verrauscht sind, liefern die Aggregation von Tausenden von Messungen und die Verknüpfung mit klassischen seismologischen Daten zuverlässige hochauflösende Verstärkungskarten.
Testfall: Campi Flegrei, Italien
Die Region Campi Flegrei (Phlegräische Felder) in der Nähe von Neapel, Italien, bot den perfekten, kritischen Testfall. Dieses Gebiet ist eine hochgradig vulkanische und seismisch gefährdete Zone, in der etwa eine halbe Million Menschen leben. Zwischen April und Juni 2024 kam es in der Region zu einer erhöhten seismischen Aktivität. Während dieses Zeitraums lieferten 7.000 bis 9.000 Einwohner:innen pro Ereignis in der 130 Quadratkilometer großen „roten Zone” aktiv Daten über das EQN-Netzwerk. Diese Crowdsourcing-Daten waren unglaublich dicht und standen in starkem Kontrast zu den „nur” 29 traditionellen seismischen Stationen, die dieselbe Region abdeckten.
„Das EQN-Smartphone-Netzwerk ist sehr dicht und deckt Bereiche der roten Zone ab, in denen keine Stationen installiert sind. Dadurch kann die Variabilität der Bodenerschütterungen mit einer höheren räumlichen Auflösung über die gesamte rote Zone erfasst werden”, erklärt der Hauptautor Francesco Finazzi.
Entscheidend für Notfallteams
„Angesichts der weltweit wachsenden Stadtbevölkerung und des dringenden Bedarfs an hochauflösenden ShakeMaps zeigt diese Studie, dass die Kombination von Beschleunigungsmesserdaten aus den Smartphones der Bürger mit seismischen Netzwerkoberobachtungen die Erstellung standortspezifischer, hochauflösender ShakeMaps in dicht besiedelten städtischen Gebieten ermöglicht”, fasst Mitautor Prof. Dr. Fabrice Cotton die Ergebnisse zusammen.
Die ShakeMaps sind ein unverzichtbares Instrument, um die Folgen besser abzuschätzen und zukünftige Szenariostudien zu erstellen. Und sie sind entscheidend für die Führung von Rettungsteams, die Schadensbewertung und die Organisation von Notfallmaßnahmen in den kritischen Stunden nach einem seismischen Ereignis.
