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Fachbereichsarbeit

Fach­ar­beit Physik: Tsunamis. Unvor­her­seh­bare Riesen­wel­len?

5.049 Wörter / ~18 Seiten sternsternsternsternstern_0.2 Autorin Marie M. im Sep. 2014
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Fachbereichsarbeit
Physik

Universität, Schule

Theodor-Heuss Gymnasium pforzheim

Note, Lehrer, Jahr

15, P., 2014

Autor / Copyright
Marie M. ©
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Preis 6.00
Format: pdf
Größe: 1.78 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern_0.2
ID# 41720








Tsunami

Unvorhersehbare Riesenwellen?




Inhaltsverzeichnis


  1. Erklärung und Definition

Seite 3

  1. Entstehung

Seite 3

  1. Ausbreitung

  • Welleneigenschaften

  • Ausbreitung im Meer

  • Rechnungen

Seite 4

  1. Wirken und Folgen

Seite 7

  1. Prävention

    1. Frühwarnsysteme

    2. Schulung der Bevölkerung

Seite 8

  1. Weitere Beispiele für Tsunamis

    1. Japan

    2. La Palma

Seite 11



  1. Fazit

Seite 12

  1. Quellen

  2. Anhang

Seite 13

Seite 14

Die Bilder der Tsunami-Katstrophen 2004 entlang der Küste des Indischen Ozeans und 2011 in Japan kennt jeder. Tausende Menschen wurden in den Tod gerissen und verloren ihre Existenzgrundlage, zum Teil ohne jede Vorwarnung.

Doch was sind Tsunami überhaupt? Lassen sie sich vorhersehen oder gar aufhalten?


  1. Erklärung

Bedingt durch die Medien hat jeder schon einmal das Wort „Tsunami“ gehört. Viele Menschen verbinden damit die Vorstellung von einer gigantischen Wassermasse, die sich aufbäumt und so die Existenz tausender Menschen vernichtet.

Im Groben stimmt dies. Der Tsunami ist eine Riesenwelle, deren Länge enorm, mehrere Kilometer, ist. Die Geschwindigkeit übersteigt auf dem Meer mit bis zu 800km/h, die normaler Wellen auf dem Meer um fast das zehnfache.

Allerdings ist auf dem offenen Meer nichts von der gewaltigen Kraft zu spüren. Erst wenn diese auf die Küste zurollt, türmen sich die Wellen über zehn Meter auf. Daher stammt auch der Name „Tsunami“. Als japanische Fischer eines Tages in ihren verwüsteten Hafen zurückkehrten und von der großen Welle hörten, gaben sie dem Phänomen den Namen Tsunami, was so viel bedeutet wie „(lange) Welle im Hafen“.

Unterteilt werden Tsunamis in spezifische Typen, die sich nach der Ausbreitung und ihrer Form klassifizieren.

Lokale und regionale Tsunamis liegen nahe bei ihrem Auslöser an der Küste. Enorme Verwüstungen binnen Minuten sind die Folge, weswegen eine Vorwarnung auch praktisch unmöglich ist.

Dagegen breiten sich Teletsunamis über einen ganzen Ozean aus, wie es auch beim wohl „bekanntesten“ Tsunami aus dem Jahr 2004 im Indischen Ozean der Fall war.

Zuletzt ist noch der Typus der Megatsunamis, oder auch „Impact- Tsunamis“ genannt, zu nennen. Wie der Name schon verrät, übersteigen diese die Ausmaße eines „normalen“ Tsunami bei weitem: Ihre Wellenlänge ist um ein Vielfaches, die Höhe kann im Küstenbereich mehrere hundert Meter betragen. Mega-Tsunamis kommen sehr selten vor und es bedarf außergewöhnlicher Ereignisse, wie dem Einschlag eines großen Meteoriten, damit einer entsteht.

Bisher gab es dies nur in lokalen Bereichen. 1958 löste ein Bergrutsch in Lituya Bay in Alaska einen Tsunami mit der Extremhöhe von über 520 Meter aus. Gefahr für weitere Mega-Tsunamis sehen Forscher vor allem bei der Kanareninsel La Palma. (mehr dazu bei 6.1. Weitere Beispiele- La Palma)

Den letzten großen, „normalen“ Tsunami mit verheerenden Folgen gab es 2011 in Japan. Dabei war der Tsunami der Auslöser für die Reaktorkatastrophe von Fukushima. Da dieses Ereignis den Tsunami gewissermaßen überschattet hat und weil es erst wenige Jahre zurückliegt, werde die Eigenschaften, die Entstehung und Ausbreitung im Folgenden am Beispiel des Tsunami von 2004 im Indi.....[Volltext lesen]

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Mit einer Geschwindigkeit von 2 km/s, also 7200km/h sprang die Sumatraplatte um 10- 30m nach oben, verbog sich und brach. In diesem Bereich hob sich der Meeresboden um zwei bis drei Meter an. In den folgenden sechs Minuten brach der Boden auf einer Fläche von über 100 000 km², und über eine Strecke von 1300 Kilometern nach Norden aus (siehe Abb.3).

Es sind viele große unvorstellbare Zahlen, die allerdings auch darauf schließen lassen, welche Folgen dieses Beben mit sich führte. Beim „Sprung“ kam es zudem zu einer Energieumwandlung von 1,5 1012 kWh (Kilowattstunde). Diese Energie muss sich nun umwandeln, da sie nach dem Energieerhaltungssatz nicht verloren geht, also geht sie auf das Wasser über.

Durch die abrupte Verschiebung kommt es natürlich auch zu einer Hebung des Wassers. Jedoch kann diese Wassersäule natürlich „nicht stehen bleiben“, und so verbreitert sie sich in alle Richtungen und der Wasserspiegel sinkt wieder. Gleichzeitig wird die Energie weitergegeben, und der Tsunami breitet sich aus.

Der durch das „Zurückschnappen“ der Platte erzeugte Impuls auf die Wassersäule überträgt sich auf diese Wassersäule. (siehe Abb.4)


  1. Ausbreitung

Bei Betrachtung anderer Wasserwellen, kommt zum Vorschein, was den Tsunami so gefährlich macht.

Als Kapillarwellen bezeichnet man „Wellen“, die nur eine sehr kurze Länge, einige Zentimeter, haben und nur kurze Zeit bestehen. Lässt man einen Tropfen auf eine Wasseroberfläche „fallen“, entstehen um die Einschlagstelle kleine Kreise, die während sie auseinanderlaufen, immer flacher werden. Dabei überholen einige Kreise andere.

Aus dem Urlaub kennen wir es, dass sich die Wellenberge nahe des Strandes brechen. Dies wird als Meeresbrandung bezeichnet.

Doch auf dem Ozean gibt es noch andere Wellen, die durch verschiedene Umwelteinflüsse entstehen. An der Oberfläche des Meeres gibt es kreisförmige Bewegungen des Wassers, wodurch benachbarte Regionen ebenfalls zu diesen Bewegungen gebracht werden. Es entstehen Wellen, die eine Amplitude von bis 10m erreichen kann. Allerdings ist in der Tiefe nichts von diesen Kreisbewegungen zu merken.

Mit zunehmender Tiefe, werden die Kreise kleiner. Im Vergleich zur Tiefe von mehreren tausend Metern, ist die Wellenlänge von 100m bis 200m relativ gering. Allgemein gilt, dass die Tiefe größer sein muss als die Hälfte der Wellenlänge (d > ). Deshalb bezeichnet man diese Wellen als Tiefwasserwellen.

Eine Welle besteht aus Wellenbergen und Wellentälern. Bei Tiefwasserwellen ist die Amplitude des Wellenbergs zunächst hoch, doch sie nimmt mit der Zeit ab, und die Wellen laufen auseinander, teilen sich auf. „Der Grund dafür ist, dass jeder geformte Wellenzug endlicher Länge als eine Überlagerung von sehr vielen sinusförmigen Teilwellen mit unterschiedlicher Wellenlänge aufgefasst werden kann“2.

Zusätzlich besitzen Tiefwasserwellen unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, sodass eine „Dispersion“ aufgezeigt wird. Dieses „Auseinanderlaufen“ der Wellen führt dazu, dass die Amplitude immer kleiner wird und längere, schnellere Wellen .....

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Dabei stellt sich die Frage, wie der Tsunami zu seinem Namen kam und die japanischen Fischer einst nichts von dieser großen Wucht bemerkt haben. Die Amplitude ist auf offener See nur wenige Dezimeter. Erst im flachen Wasser steigt die Wellenhöhe an. Dabei nimmt nachdie Wellenlänge deutlich ab. Der Wellenberg einer breiten Welle senkt sich und die Wassermassen werden in einen kleinen Raum zusammengedrängt.

Nach dem Energieerhaltungssatz drückt dieser breite Wellenberg, deshalb einen schmaleren Wellenberg nach oben. (siehe Abb.5)

Beeinflusst wird die Amplitude A, also durch die Energie E und die Wassertiefe h, aber auch die Entfernung r vom Entstehungsort ist ein wichtiger Faktor.

So treten beim Auftreffen auf die Küste Wellenhöhen von einigen Metern bis zu 50 Metern auf.

Durch die Konzentration der Energie entwickelt die Tsunamiwelle eine große Zerstörungstraft, die aber natürlich auch durch die Wellenperiode und die transportierte Energie noch vergrößert wird. Abgeschwächt kann die Energie durch die Meerestopographie nur bedingt werden. Doch bieten Korallenriffe, Sandbänke und Ähnliches zum mindestens etwas „Schutz“.

Meistens wird in Filmen von einer großen „Wasserwand“ gesprochen, die sich sichtlich aufbäumt und dann über eine Stadt ergießt. Doch dabei wird die Realität verdreht: Tsunamiwellen treten nie einzeln auf, vielmehr sind es mehrere Wellen, die in Abständen von zehn Minuten bis zu zwei Stunden auflaufen. Dabei muss die erste nicht zugleich auch die höchste sein. Zudem ist weniger die Höhe das Problem.

Mit einer Länge von teils vielen Kilometern strömt Wasser minutenlang (bis zu einer Stunde) ins Land hinein.

Anschaulich lässt sich dies wieder am Tsunami am Indischen Ozean 2004 zeigen. Wie bereits erwähnt, lag das Epizentrum des Erdbebens, welches den Tsunami auslöste, etwa 85 Kilometer vor der Nordwestküste Sumatras. Entlang der Bruchlinie, die bis in die Andamen See hineinreichte breitete sich die Tsunamiwelle aus. (vgl. Abb. 3)

Die Regionen, die nun von diesem Tsunami getroffen werden, sind weitverstreut. Bis an die Nordostspitze Afrikas kam man die Auswirkungen des Erdbebens, und damit der Tsunamiwelle, spüren. Auch weit über den Pazifik, an den Küsten von Peru, Chiles und Mexico zeigte sich der Tsunami, allerdings nur mit kleinen Wellen. Der gesamte Indische Ozean wurde für einen Tag .....

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Selten ist sie die erste Welle gleichzeitig die stärkste, was ein großes Risiko mit sich birgt. Viele Menschen glauben schon in Sicherheit zu sein und nähern sich wieder der Küste, doch werden danach von den folgenden Wellen überrascht. 2004 dauerte der Tsunami mehrere Stunden, und brachte acht Wellen mit sich. Durchschnittlich treten sechs bis zwölf Wellen auf in Intervallen von zehn bis neunzig Minuten.

Dennoch hat die erste Welle schon so eine Wucht, dass sie bereits die festen Strukturen an Land zerstören kann und sie reicht schon aus, um Menschen zu töten. Die darauffolgenden Wellen reißen alles mit, was nicht fest verankert ist. Bei Stahlbetonbauten werden etwa die Wände herausgedrückt, während das Gerüst weiterhin stehen bleibt.

Als sogenannten run-up bezeichnet man die Wellenhöhe an Land. Diese erhöht sich bei buchtenförmigen Küsten, da sich dabei die Wassermassen fokussieren und das Auftreffen daher intensivieren. (siehe Abb. 6)

Besonders gefährlich sind die mitgerissenen Trümmer und das Treibgut, das aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der die Wellen in das Landesinnere strömen mitgerissen wird und weitere Schäden anrichten und Menschen töten können.

Nicht nur das Eindringen des Wassers ist gefährlich: durch Sogwirkungen werden Menschen und Tiere beim Abfließen weit auf das Meer hinaus gerissen. Ein Mann schwamm beispielsweise 16 Tage auf dem Meer, erst an eine Tür geklammert, später auf einen Boot das ebenfalls aufs Meer gerissen wurde, ehe er schließlich gerettet wurde. Doch so viel Glück wie er hatten nicht alle.

Die meisten ertranken in den Wellen oder wurden von Trümmerteilen lebensgefährlich verletzt.

Besonders stark war der Küstenstreifen Khao Laks betroffen, den die Wellen nach etwa zwei Stunden erreichten. Ohne natürlichen Schutz und mit einem langsamen Anstieg war es eine ideale Topographie für den Tsunami.

So kam es zu einer Höhe der Wasserwand von bis zu zehn Metern. Zur gleichen Zeit traf der Tsunami auch auf Sri Lanka. Etwa 30000 Menschen starben in der Küstenregion. Hier ereignete sich ein Zugunglück, welches die Macht der Wellen zeigt. Der überfüllte Zug wurde zunächst von den ersten beiden Wellen überspült, daraufhin flüchteten Menschen der Umgebung auf den Zug, da sie sich dort in Sicherheit glaubten.

Doch die dritte Welle war mit 5,5 Metern die höchste und riss den Zug aus den Schienen. Die Waggons flogen gegen Bäume und Häuser und füllten sich mit Wasser, sodass die Passagiere ohne .....

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Ein großes Problem waren auch die wirtschaftlichen Schäden. Viele Touristenorte wurden zerstört. In Sri Lanka wurde zudem knapp 75% des Fischereisektors vernichtet. Häfen wurden zum Teil gänzlich zerstört, aber auch die Infrastruktur und das Transportwesen zu den Häfen. Somit ist es für betroffene Regionen auch schwer wirtschaftlich wieder Fuß zu fassen. Investoren nutzten die übersichtliche Lage aus, und erwarben Grundstücke von Einheimischen für neue Ferienanlagen.

Hinzukommend waren die Folgen für die Umwelt. Das Wasser versalzte und versandte den Boden, sodass landwirtschaftliche Nutzflächen unbrauchbar wurden. Zudem können Chemikalien, etwa durch zerstörte Industrieanlagen in das Grundwasser gelangen. Auch die Meerestopographie änderte sich: Korallenriffe und Mangroven, die zunächst als Schutz der Küsten dienten, können bei starken Tsunamis ebenfalls zerstört werden.


  1. Prävention

5.1. Frühwarnsysteme

Forscher und Wissenschaftler bezeichnen den Tsunami 2004 als „Glücksfall“. Es klingt zynisch, doch in den vergangenen zehn Jahren wurde viel Geld in die Frühwarnsystemtechnik investiert und vor allem arbeitet man an einer besseren Kommunikation der Länder.

Die fehlende Kommunikation war nämlich ein Grund für die vielen Todesopfer 2004. Das Pacific Tsunami Warning Center (PTWC) auf Hawaii erfasste nämlich das starke Erdbeben im Indischen Ozean. Nachdem zunächst von „keiner[r] Tsunamibedrohung“ gesprochen wurde, wurde die Aussage revidiert. Panisch fingen die Mitarbeiter daraufhin an, Ansprechpartner in den betroffen Regionen zu suchen, doch es gab keine.

Deshalb mussten die Mitarbeiter PTWC tatenlos beobachten, wie der Tsunami die Küstenregionen zerstörte. Auch in anderen Ländern wurde der Tsunami registriert, etwa in Japan. Daraufhin wurden Meldungen an die Regierungen entsandt, doch teilweise wurden die Warnungen ignoriert, so dass es die Menschen vor allem in Sri Lanka völlig unvorbereitet traf.

Doch wie kann man dies verhindern? Und wie erkannten Wissenschaftler in Hawaii, immerhin über 11.000 Kilometer vom Epizentr.....

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Daraufhin nahm man die Bojen im Sommer 2011 aus dem deutsch- indonesischen Programm.

Der andere Zweck der Bojen war die Übermittlung von Daten, die durch Druckmessungen am Meeresboden von Drucksensoren gegeben werden. Alle fünf Sekunden wird dabei der Druck der Wassersäule, der auf den Drucksensor gegeben wird, gemessen. Überschreitet dieser einen bestimmten Schwellenwert, so werden weitere Messungen gemacht und „an die Boje weitergeleitet“, die diese an Warnzentren weiterleitet.

Wichtigstes und zuverlässigstes Mittel des marinen Messnetzes sind deshalb Küstenpegelmessungen vor der Küste, häufig auf Inseln. Damit kann man im Falle die aktuelle Höhe des Tsunami bestimmen.

(4) Mit Simulationen von Tsunamis kann man im Ernstfall genaue Informationen über den Schaden geben und bedingt auch über den Zeitpunkt und die Höhe des Auftreffens. Seit Jahren simulieren Forscher deshalb im Labor mit verschiedenen Epizentren mit unterschiedlichen Stärken, Tsunamis und wie sie auf die Küsten treffen. Berücksichtigt wird dabei die Küstentopographie und wie diese die Wellen beeinflusst.

Auch die Vulnerabilität der Küstenorte wird mit einbezogen, wie zum Beispiel die Bevölkerungsdichte oder das Risikoverständnis. Gesammelt in einer Datenbank, kann man diese Simulationen im Falle eines Tsunami abrufen und den passendesten heraussuchen (geschieht automatisch per Computer). Daraus ergeben sich Informationen wie die Wellenhöhe und Ankunftszeiten, die den zuständigen Behörden ein erstes Lagebild vermitteln.

Dieses System bezeichnet man als Decision- Support- System (Entscheidungs- Unterstützungssystem).

(5) Gesammelt in einer Datenbank, kann in Warnzentren diese Simulationen im Falle eines Tsunami abrufen und den passendesten heraussuchen (geschieht automatisch per Computer). Daraus ergeben sich Informationen wie die Wellenhöhe und Ankunftszeiten, die den zuständigen Behörden ein erstes Lagebild vermitteln. Dieses System bezeichnet man als Decision- Support- System (Entscheidungs- Unterstützungssystem).

Zudem gehen in den Warnzentren auch die Informationen aus den Erdbeben-, GPS- und Pegelmessungen ein. Unter Berücksichtigung aller dieser Werte kann eine erste Prognose erfolgen, die sic.....

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Quellen & Links

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