datenleben by datenleben

Willkommen zu unserer siebzehnten Folge beim dalenleben-Podcast, dem Podcast über Data Science.

Wir sind Helena und Janine und möchten euch mitnehmen in die vielfältige Welt der Daten.

Menschen sammeln aus verschiedenen Gründen unzählige Daten.

Dabei ist immer die Frage: Was können wir aus diesen Daten lernen?

Dieser Frage gehen Data Scientists nach, analysieren sie und gewinnen auf diese Art wichtige Erkenntnisse.

Thema der Folge (00:00:44)

Es geht um Erdbeben.

Vielleicht erinnert ihr euch noch an unsere Jahresrückblicksfolge?

Wir haben kurz erwähnt, dass es weniger seismischen Lärm während des Lockdowns Frühjahr 2020 gab

Und in unserer #rC3-Folge ging es kurz um ein Projekt nach dem Erdbeben von Izmir erzählt, bei dem Menschen per Open Street Map Schadenskarten erstellt und so Hilfe organisiert haben

Seitdem stand das Thema Erdbeben auf unserer Wunschliste

Natürlich zuerst ein paar Basics: Wo finden Erdbeben hauptsächlich statt, wie oft und solche Dinge

Dann geht es in die Details: Helena sagt, was bei Erdbeben passiert - aus physikalischer Sicht

Und zum Abschluss geht es noch um die Frage, wie gut sich Erdbeben eigentlich vorhersagen lassen

Warum ist das Thema interessant? (00:02:37)

Weil es um den Grund geht, auf dem wir stehen!

Aus Data Science Sicht spannend, weil Erdbeben Daten liefern, die weltweit erhoben werden können

Und das Zusammenführen dieser Daten, fördert beeindruckende Erkenntnisse zu Tage

Einspieler: Erdbeben verstehen lernen (00:03:17)

Die Erde ist ein aktiver Planet, ihre Oberfläche in ständiger Bewegung

Und diese Bewegung kann dazu führen, dass die Erde bebt

Erste Aufzeichnungen zu Erdbeben reichen weit zurück: bis ca. 1800 Jahre vor unserer Zeitrechnung

Über die Ursachen war lange Zeit nichts bekannt.

Wie andere Naturkatastrophen, wurden auch Beben dem Wirken von Göttern und Gott zugeschrieben

Auch Heinrich von Kleist in "Erdbeben in Chili" Erdbeben in einen religiösen Kontext gestellt und es besonders eindrücklich beschrieben:

Das Leben schien ihm verhaßt, und er beschloß, sich durch einen Strick, den ihm der Zufall gelassen hatte, den Tod zu geben. Eben stand er, wie schon gesagt, an einem Wandpfeiler und befestigen den Strick, der ihn dieser jammervollen Welt entreißen sollte, (...); als plötzlich der größte Teil der Stadt, mit einem Gekrache, als ob das Firmament einstürzte, versank, und alles, was Leben atmete, unter seinen Trümmern begrub. (...) Zitternd, mit sträubenden Haaren, und Knieen, die unter ihm brechen wollten, glitt Jeronimo über den schiefgesenkten Fußboden hinweg, der Öffnung zu, die der Zusammenschlag beider Häuser in die vordere Wand des Gefängnisses eingerissen hatte. Kaum befand er sich im Freien, als die ganze, schon erschütterte Straße auf eine zweite Bewegung der Erde völlig zusammenfiel. Besinnungslos, wie er sich aus diesem allgemeinen Verderben retten würde, eilte er, über Schutt und Gebälk hinweg, indessen der Tod von allen Seiten Angriffe auf ihn machte, nach einem der nächsten Tore der Stadt. Hier stürzte noch ein Haus zusammen, und jagte ihn, die Trümmer weit umherschleudernd, in eine Nebenstraße; hier leckte die Flamme schon, in Dampfwolken blitzend, aus allen Giebeln, und trieb ihn schreckenvoll in eine andere; hier wälzte sich, aus seinem Gestade gehoben, der Mapochofluß auf ihn heran, und riß ihn brüllend in eine dritte. Hier lag ein Haufen Erschlagener, hier ächzte noch eine Stimme unter dem Schutte, hier schrieen Leute von brennenden Dächern herab, hier kämpften Menschen und Tiere mit den Wellen, hier war ein mutiger Retter bemüht, zu helfen; hier stand ein anderer, bleich wie der Tod, und streckte sprachlos zitternde Hände zum Himmel. Quelle

Jährlich finden bis zu 145.000 Erdbeben statt, meistens nicht dort, wo Menschen leben

Oder so tief in der Erde, dass sie an der Oberfläche kaum noch Auskwirkungen haben

Aber wenn Erdbeben in der Nähe von besiedelten Gebieten oder sogar einer Großstadt passieren, können sie großen Schaden anrichten und lebensgefährlich sein.

Viele Erdbeben haben ihren Ursprung mitten im Ozean; Seebeben können schwache bis sehr starke Tsunamis auslösen - also große Flutwellen, die Küstenregionen gefährden können

Aber wie entstehen Erdbeben jetzt eigentlich? Seit Mitte des 20. Jahrhunderts können Erdbeben in Zusammenhang mit der Plattentektonik betrachtet werden

Also mit den Bewegungen der Kontinentalplatten auf dem Oberen Erdmantel

Die Kontinentalplatten reiben aneinander oder schieben sich über- bzw. untereinander

Dabei bauen sich Spannungen auf, die durch Erdbeben freigesetzt werden können

Regionen entlang der Ränder aller Kontinentalplatten sind besonders gefährdet

Weitere Ursachen: starker Frost, oder Aktivitäten des Menschen, wie Erdgas- und -ölförderung

Inzwischen ist sehr viel mehr über die Vorgänge rund um Erdbeben bekannt

Es werden extrem viele Daten gesammelt, wobei immer wieder überraschende Erkenntnisse entstehen

Welche Zahlen gibt es zu Erdbeben? (00:07:28)

Die Erde bewegt sich die ganze Zeit, die Frage ist nur immer, wie stark bewegt sie sich?

Meistens spricht man dann von Erdbeben, wenn sie eine gewisse Schwere erreichen

Seit etwa über 100 Jahren misst man im globalen Maßstab die Stärke von Erdbeben:

Die stärksten gemessenen Erdbeben: Platz 1 ist mit 9,6 in Chile 1960, Platz 2 mit 9,3 in Alaska

Vor ca. 20 Jahren 9,1 im Indischen Ozean, das die schwere Tsunamiekatastrophe in Indonesien auslöste

Auf Platz 4 das letzte Beben, das mit 9,0 die Stufe 9 überschritten hat: das Beben, das 2011 zur Kernschmelze im japanischen Atomkraftwerk von Fukushima führte

Auf der Skala kann man ab der Stärke 5 sagen, dass man Beben spürt und Dinge kaputt gehen

Ein anderes schweres Beben der letzten 10 Jahre ist ausserdem das Beben von Haiti

Erdbeben müssen nicht unbedingt sehr stark sein, sondern die Frage ist: Wo treffen sie die Leute?

Beim Beben von Haiti starben über 300.000 Menschen

Tragischer Spitzenreiter ist ein Beben in China aus dem 16. Jh. mit über 800.000 Todesopfern

Auch in China, Tangshan, starben 1976 knapp 250.000 Menschen

Welche Rolle spielen Beben in Deutschland? (00:11:19)

Beben in Deutschland - nicht unbedeutend, auch wenn sie im Alltag kaum eine Rolle spielen

Risikogebiete in Deutschland gibt es auch aufgrund der geologischen Gegebenheiten

Es gibt hier Drei Schwächezonen in der Erdkruste auf: Rheingebiet, Schwäbische Alb und Ostthüringen und Westsachsen mit dem Vogtländischen Schwarmbebengebiet

Was ist ein Schwarmbeben?

Das heißt, dass sich die seismische Energie in vielen hunderten bis tausenden, sehr schwachen Erdbeben entlädt. Stärkere Erdbeben sind daher bisher nie aufgetreten. Heftigere Erdbebenschwärme, wie z. B. der von 1985/86, der vielen Personen noch gut in Erinnerung ist, treten ca. alle 74 Jahre auf, kleinere alle 3 Jahre. Einzelne Schwarmbeben-Ereignisse kommen jedoch immer wieder vor. Quelle

Es gibt dort sogar ein Live-Seismogramm, dass sich alle paar Minuten aktualisiert

Hinweis: Auch Bewegung der Bäume im Wind, erzeugt seismisches Grundrauschen in der Aufzeichnung

Und: ein Seismograph kann Beben anzeigen, die an anderen Orten auf dem Globus stattfinden

Wie schlimm ist es mit den Beben in Deutschland jetzt?

Die beiden stärksten Beben Deutschlands der letzten 250 Jahre sind: 18.02.1756 Düren (östl. Aachen), Stärke: 6,1 mit Todesopfern und 16.11.1911 Albstadt (südl. Tübingen), Stärke 6,1 beschädigte Gebäude: 6250, Schadenssumme 0,75 Mio. RM

Jüngstes starkes Beben, das Deutschland betroffen hat: 13.04.1992 Heinsberg/Roermond (NL), Stärke 5,9, 1 Toter; beschädigte Gebäude 7200, Schadenssumme: 250 Mio. Damit

Wie oft kann man mit solchen Beben hier rechnen?

Mit einer mittleren Wiederholungsperiode von 10 Jahren werden in Deutschland Beben der Magnitude ML = 5.1 (Mw = 4,8) beobachtet. Mit mittleren Wiederholungsperioden von 50 Jahren ereignen sich Beben mit ML = 5.8 (Mw = 5.5). Beben im Bereich der historisch größten Magnituden (ML = 6.,1, Mw = 5.8) besitzen eine mittlere Wiederholungsperiode von ca. 100 Jahren. Quelle

Zwischen den Beben mit 6,1 lagen aber 150 Jahre, das zeigt auch: Erde ist kein statistisches Uhrwerk

Aber das letzte mit 6,1 ist jetzt auch etwa 100 Jahre her, das macht es also auch wahrscheinlich, das wir noch eins erleben könnten

Ja, denn Statistik ist bei Erdbeben ein bisschen anders als beim Würfeln, weil es hier um Spannungen geht, die sich aufbauen und dann entladen können

Wie funktioniert das mit der Magnitude? (00:17:52)

Auf der Seite, die gerade zitiert wurde, steht Magnitude = M_L und Magnitude = M_W, denen jeweils beim gleichen Beben unterschiedliche Werte entsprechen - Was bedeutet das?

Von Magnitude wird dann gesprochen, wenn es sich um eine logarithmische Skala handelt

Das heißt: Der Unterschied 1 zwischen zwei Werten ist nicht der reale Wert 1, sondern muss noch mit 10-hoch-irgendwas multipliziert werden

Im 10er Logarithmus würde Magnitude 1 einem Wert von 10 entsprechen, Magnitude 2 einem Wert von 100, Magnitude 3 wäre 1000 - das heißt, der reale Wert nimmt exponentiell zu

Warum: menschliche Wahrnehmung funktioniert auch logarithmisch, z. B. bei Schall und Helligkeit

Helligkeit: Hier wird Magnitude etwa für Sterne verwendet

Werte zwischen 1 und 10 (Stürme, Erdbeben) sind auch leichter greifbar im Kopf, als große Zahlen

M_L ist die lokale Magnitude, M_W steht für "mechanical work" (mechanische Arbeit)

M_L ist auch bekannt als die Rickterskala, hier nimmt man den Logarithmus der Amplitude

Die Amplitude zeigt an, um wie viele Zentimeter bewegt sich die Erde

M_W heißt auch Momentum Magnituden-Skala und bezieht sich auf die Energie die freigesetzt wird

Eigentlich nimmt man statt der Richterskala inzischen auch diese Skala in den Nachrichten

Diese Skala hat ein theoretisches Maximum von 10.6, bei dem die Erkruste nicht mehr stabil wäre

Kann nicht einfach so passieren, weil sich die Spannungen vorher entladen würden

Ein Erdbeben mit dieser Energie wäre vorstellbar, wenn ein sehr großer Asteroid einschlägt

Auch der Ausbruch des Yellow Stone Supervulkans würde wahrscheinlich diese Energie nicht erreichen

Es müsste wahrscheinlich ein Prozess von außen sein: Astoroid oder Explosion (starke Kernwaffen)

Warum interessiert uns, wo es bebt? (00:24:20)

Es geht um die Planbarkeit von Gebäuden, Lebensräumen, und die Gefahreneinschätzung

In Deutschland ist es vor allem im Rheingebiet hinsichtlich des Bergbaus interessant

Wohnbebauung und Städte: Menschen wohnen auch in Städten, die in Erdbebenregionen stehen

Beispiele von Großstädten: San Fransisco, Tokio

Es geht darum herauszufinden, womit man rechnen muss, wenn ein Erdbeben passiert und wie man bauen kann, damit die Auswirkungen nicht zu schlimm sind

Erdbebensicher bauen: Berühmtes Beispiel ist der Wolkenkratzer Taipei 101

Muss bis zu 4000 Beben und 9 Taifunen pro Jahr Stand halten, deswegen besondere Bauweise

Bauweise Bambus nachempfunden, mehrere Dämpfer und besonders spektakulär: das Tilgerpendel

Tilgerpendel: Stahlkugel mit 5,5 Metern Durchmesser und 660 Tonnen Gewicht, fängt Schwingungen ab

Beispiel Atomkraft: niemand möchte Atommüllendlager oder -kraftwerk in Erdbebenregionen bauen

Beispiel Asse II: Damals experimentelles Atommüllendlager, wo Fässer verklappt wurden

Schwach- bis Mittelradioaktive abfälle wurden hier in den 60er und 70er jahren eingelagert

Es stellte sich aber mit der Zeit heraus, dass der Berg zu instabil ist und salzhaltiges Grundwasser eindringt, also wurde ein Plan zur Rückholung entwickelt

Seismische Messstation Asse II: Geofon des Geoforschungszentrums am Helmholtz-Zentrum Potsdam

Obwohl keine bekannte Erdbebenregion ist die seismische Überwachung wichtig

Was passiert physikalisch bei einem Erdbeben? (00:31:37)

Erdbeben können verschiedene Ursachen haben, bekannteste: tektonische Platten, die aneinander vorbeischieben und dabei Spannungen aufbauen, die sich in Erdbeben lösen

Es wird also Energie freigesetzt, die sich in der Erde auf verschiedene Weisen ausbreitet

Energie verteilt sich in die Umgebung durch Erdbebenwellen a.k.a. seismische Wellen

Verschiedene Wellentypen, zwei davon gehen in der Erde auch durch Festkörper durch

Drei weitere Wellentypen sind sogenannte Oberflächenwellen, die die meiste Zerstörung verursachen

Die anderen beiden sind die 'Primärwelle' (P-Wellen) und die 'Sekundärwelle' (S-Wellen), wobei die Primärwelle etwa doppelt so schnell ist, wie die Sekundärwelle

P-Welle: Ist wie Schall (Longitudinalwelle), die Masse bewegt sich in die selbe Richtung wie die Welle

S-Welle: Ist eine Transversalwelle, in diesem Fall breitet sich die Welle senkrecht zur Bewegung der Masse aus; das ist im Grunde wie Licht funktioniert

Nach diesem Prinzip funktionieren auch Polarisationsfilter für das 3D-Kino

Im Grunde passiert das auch bei Wasserwellen, aber nicht ganz, die sind eher wie Oberflächenwellen

Die Welle kann hier in Ausbreitungsrichtung und orthogonal (senkrecht) dazu verlaufen

Die S-Welle, also die Scherwelle senkrecht zur Ausbreitugsrichtung, gibt es nur in Festkörpern

In Flüssigkeiten können sich Druckwellen wie Schall oder die P-Welle ausbreiten

Heißt: wenn man anguckt welche Wellen ankommen, weiß man, ob die durch Flüssigkeit sind oder nicht

Atombomben, die unterirdisch gezündet werden, lösen erstmal auch eine P-Welle/Druckwelle aus, erst im nächsten Schritt dann auch eine S-Welle

Wenn Erdbebenwellen sich durch ein Material ausbreiten und dann auf ein anderes Treffen, verändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und durch eine Brechung verändert sich die Richtung der Welle (vergleichbar Lichtbrechung: Münze im Wasserglas)

An Stellen, wo zwei Materialien aufeinandertreffen, kann sich Energie in verschiedene Wellen teilen

Trifft eine S-Welle auf Flüssigkeit, kann die Energie nicht weiterlaufen, weil S-Wellen sich nicht in Flüssigkeit aubreiten, also wird sie zu einer P-Welle -> Wellen können sich ineinander verwandeln

Man kann nicht nur sagen, wie sich Wellen durch die Erde ausbreiten, sondern auch was die Ursache ist

So werden geheime Atombombentests deswegen bekannt, weil sie seismisch aufgezeichnet werden können

Wie werden Erdbeben gemessen? (00:38:05)

Die Erde bewegt sich und die einfachste Möglichkeit ein Erdbeben zu messen ist:

Man nimmt eine schwere Kugel mit einem Stift dran, die an ein Pendel aufgehängt wurde

Darunter liegt Endlospapier und zieht es langsam mit gleicher Geschwindigkeit unter dem Stift durch

Wenn die Erde bebt, dann bleibt die schwere Kugel wegen der Massenträgheit an Ort und stelle, aber das Papier bewegt sich mit der Erde unter dem Stift hin und her

Letztlich ist das ein Plotter in seiner frühesten Form, die technisch möglich war

Das ist dann das Seismogramm, das aufgemalt wird

Statt mit Papier lässt sich die Position auch elektrisch auslesen, das hat den Vorteil, dass es da leichter ist eine Uhrzeit beizufügen

Die Kugel kann auch mit einem anderen Mechanismus ersetzt werden, zum Beispiel einem Federpendel

In einem Seismogramm können Erdbeben von überall auf der Welt auftauchen, deswegen sollte man Seismogramme mehrerer Stationen ansehen, um zu gucken, woher das Beben wirklich kommt

Frage: Könnte man also sagen, dass man mit Seismographen im Prinzip Triangulation macht?

Ja! Je näher dran das Erdbeben an den Stationen ist, desto einfacher geht das

In den 1880ern wollte der Physiker Ernst von Rebeur-Paschwitz sich die Gezeitenkräfte angucken

Seine These: Vielleicht deformiert der Mond die Erdkruste durch die Gezeiten

Aufbau: Pendel in Wilhelmshaven und in Potsdam über mehrere Jahre

1889 gab es ein Erdbeben in Tokio, das auf seinen beiden Pendeln aufgezeichnet werden konnte

Erkenntnis: Dass Beben durch die Erde gehen und wie schnell sie sind; Beginn der Seismologie

Beginn davon, dass überall auf der Welt Seismographen installier und Daten gesammelt wurden

Triangulieren ist nur eine Sache, die man damit machen kann

Wie schon gesagt, Wellen breiten sich durch die Erde aus, aber je nach Welle durch andere Materialien

Vergleicht man alle Messungen global, wann was ankommt, sieht das erst ziemlich chaotisch aus

Erkenntnis: Es entsteht ein Muster davon, wie die Erde im Inneren aufgebaut ist

Aufbau mit Erdkruste, Erdmantel, flüssigem Erdkern und festem Erdkern, hat man darüber entdeckt

Nebengedanke: Damit konnte also sozusagen auch bewiesen werden, dass die Erde rund ist

Marsgedanke: Es ist toll, dass es einen Seismographen auf dem Mars gibt, aber mehr wären toller!

Man kann gucken, an welchen Stationen die Wellen zuerst ankommen, man kann daraus aber auch die physikalischen Ursachen ablesen

Dabei entstehen Muster, die als double-couple bezeichnet werden, das ist ein Kreis, der verschiedene Muster enthalen kann, die anzeigen, was es für ein Erdbeben war

Zum Beispiel ob es ein Aufschiebungs-, ein Aufschiebungsbeben oder ein Blattverschiebungsbeben ist

Lassen sich Erdbeben vorhersagen? (00:49:10)

Kurze Antwort: Nein und Ja, aber eher nein.

Es gab bisher wenige (wenn überhaupt mehrere) erfolgreich vorhergesagte Beben

Warum es schwer bis unmöglich ist, Erdbeben vorher zu sagen...

In gut bekannten und intensiv untersuchten Gebieten ist eine genauere Erdbebenvorhersage möglich. Auch hier liegt die Unschärfe der Vorhersage jedoch im Bereich mehrerer Monate oder Jahre. Bei der Betrachtung von Einzelereignissen ist ein kompliziertes Zusammenspiel einer großen Zahl von Einflussgrößen zu beobachten, so dass die isolierte Betrachtung einer einzigen Größe zur erfolgreichen Vorhersage nicht erfolgversprechend ist. Quelle

Dennoch gibt es bekannten Phänomene, die einem Erdbeben vorausgehen und in ihrer Zusammenstellung und ihrem Auftreten genauere Hinweise auf bevorstehende beben geben könnten ...

Welche Anzeichen es für ein anstehendes Erdbeben geben kann:

Tiere flüchten oder verhalten sich merkwürdig/nicht typisch - passiert aber zu unregelmäßig/nicht immer wird das Verhalten auch von Menschen beobachtet, weil sie nicht dort sind, wo die Tiere sind

Vermutung: Tiere spüren Primärwellen früher/besser als Menschen und suchen Schutz

Radon tritt vor einem Beben aus dem Boden aus, das man messen könnte

Aber: beim Versuch das als Methode anzuwenden, erwies sie sich dennoch als sehr unzuverlässig

Auch veränderte elektromagnetische Signale können auftreten, aber: auch nicht zuverlässig

Ein Supermond (wenn der Mond der Erde am nähsten steht) soll wegen größerer Anziehungskraft auf Erdbeben auslösen können: passt aber auch nicht immer

Zwei Theorien zur seismischen Lücke: 1. es gibt zwischen Erdbeben eine statistich erfassbare Ruhephase, 2. direkt vor einem Beben nimmt die seismische Aktivität plötzlich ab

Keine der beiden Theorien gibt genug her, um zu zuverlässigen Vorhersagen führen zu können, ausserdem kann beides für unterschiedliche Orte wahr sein

Erdbebenlichter: galten als Anekdote/Mythos, sie wurden schon in der antike beschrieben; es sind Blitze über dem Erdboden oder andere Lichtphänomene vor Erdbeben.

Inzwischen nachgewiesen, aber: auch sie sind nicht zuverlässig; zu selten, unterschiedlich