Tsunami

Ein (oder selten eine) Tsunami (jap. , wörtlich ‚Hafenwelle‘), deutsch ehemals Erdbebenwoge oder Erdbebenfluten genannt, ist eine Abfolge besonders langer Wasserwellen, die sich über sehr große Entfernungen auszubreiten vermögen und als solche eine Verschiebung von Wasser bzw. Meer in Folge einer Verdrängung darstellen.

Beim Vordringen in Bereiche geringer Wassertiefe wird das Meer gestaucht und türmt sich dadurch an Küsten zu mehreren hohen Flutwellen auf. Diese tragen so das Wasser mit großer Wucht weit über die Uferlinie und richten dabei meist große Zerstörungen an. Beim anschließenden Zurückweichen wird das auf dem überschwemmten Land mitgerissene Material, oft auch Menschen und Tiere, meist weit auf den Ozean hinaus gespült.

Tsunamis entstehen infolge plötzlicher Wasserverdrängung, z. B. bei Hebung oder Senkung von Teilen des Ozeanbodens bei einem unterseeischen Erdbeben oder durch das Hineinrutschen großer Erd- und Gesteinsmassen ins Wasser sowie auch durch heftige Winde (→ Meteotsunami), aber auch bei künstlich hervorgerufenen Explosionen oder äußerst selten durch den Einschlag eines Himmelskörpers. Ebenfalls können Tsunamis durch Vulkanausbrüche in und am Wasser entstehen, da auch bei diesen durch Explosionen, Rutschungen und Calderaeinbrüchen große Gesteinsmassen im Wasser bewegt werden können. Die UNESCO veröffentlichte hierzu einen Bericht, der Typen und Mechanismen der Tsunamientstehung durch Vulkane beschreibt und solche Vulkane listet.

Tsunamis entstehen nicht nur auf den Weltmeeren, auch auf Binnenseen können sich sogenannte Binnentsunamis bilden.

Etymologie Der Begriff Tsunami (japanisch für: 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. Darum nannten sie die mysteriösen Wellen Tsu-nami, das heißt „Welle im Hafen“.

Eine Reihe verheerender Tsunamis zwischen 1945 und 1965 machte dieses Naturphänomen weltweit bekannt und bildete die Grundlage für wissenschaftliche Arbeiten, in deren Folge sich die japanische Bezeichnung als Internationalismus durchsetzte. Vor allem nach dem schweren Erdbeben im Indischen Ozean 2004, das den tödlichsten Tsunami aller Zeiten auslöste, war das Wort in aller Munde.

Erstbeschreibung Die bisher früheste bekannte wissenschaftliche Beschreibung dieses Naturereignisses mit exakter Ursachenanalyse stammt von dem österreichischen Geowissenschaftler Ferdinand von Hochstetter, der 1868 und 1869 in mehreren Veröffentlichungen der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften das Erdbeben in Peru am 13. August 1868 richtigerweise mit den Tsunamiwellen am 15. August 1868 an der Ostküste Neuseelands sowie Australiens in einem kausalen Zusammenhang darstellte. Aus zeitverzögerten Registrierungen von Beobachtungsstationen berechnete er die Wellengeschwindigkeit mit 325 bis 464 Knoten (600 bis 860 km/h) und stellte darüber hinaus fest, dass von den Flutwellen Wassermassen bis in große Tiefe beeinflusst werden.Hans P. Schönlaub: Abschnitt Ferdinand von Hochstetter: Österreichs Pionier in der Tsunami-Forschung. Auf: geologie.ac.at. Mit Abbildung der Kartenskizze von Hochstetter.

Entstehung miniatur|Entstehung und Fortpflanzung eines Tsunamis Tsunamis werden zu etwa 90 % durch starke Erdbeben unter dem Ozeanboden angeregt (sogenannte Seebeben); die übrigen entstehen infolge von Vulkanausbrüchen, untermeerischen Erdrutschen, in sehr seltenen Fällen durch Meteoriteneinschläge. Daneben werden z. B. durch heftige Winde an einer Gewitterfront ausgelöste „Meteotsunamis“ beschrieben.

Tsunamis treten mit ungefähr 80 % am häufigsten im Pazifik auf: Am Rand des Stillen Ozeans, in der Subduktionszone des Pazifischen Feuerrings, schieben sich tektonische Platten der Erdkruste (Lithosphäre) übereinander. Durch die sich ineinander verhakenden Platten entstehen Spannungen, die sich zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt schlagartig entladen, wodurch Erd- und Seebeben ausgelöst werden. Dabei werden die tektonischen Platten horizontal und vertikal verschoben. Die vertikale Verschiebung hebt oder senkt auch die darüberliegenden Wassermassen. Durch die Gravitation verteilt sich das Wasser als Wellenberg in alle oder als Wellental aus allen Richtungen; je tiefer der Meeresbereich, umso schneller. So breitet sich eine Wellenfront in alle Richtungen aus. Meist ist die unterseeische Bruchzone nicht flächen-, sondern linienförmig, dann bewegt sich die Wellenfront v. a. rechtwinklig von der Bruchlinie weg.

Ein Erdbeben kann nur dann einen Tsunami verursachen, wenn alle drei folgenden Bedingungen gegeben sind: Das Beben erreicht eine Magnitude von 7 oder mehr. Sein Hypozentrum liegt nahe der Erdoberfläche am Meeresgrund. Es verursacht eine vertikale Verschiebung des Meeresbodens, welche die darüberliegende Wassersäule in Bewegung versetzt. Nur ein Prozent der Erdbeben zwischen 1860 und 1948 verursachten messbare Tsunamis.

Ausbreitung Tsunamis unterscheiden sich grundlegend von Wellen, die durch Stürme entstehen. Letztere werden in Abhängigkeit von der Wassertiefe im Verhältnis zur Wellenlänge als Flachwasserwelle oder Tiefwasserwelle bezeichnet. Bei Tiefwasserwellen hat die Welle keinen Kontakt zum Grund und die tieferen Wasserschichten bleiben unbewegt. Somit hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit nicht von der Wassertiefe ab. Bewegt sich eine solche Welle in flacheres Gewässer, wird sie zur Flachwasserwelle, bewegt also die gesamte Wassersäule und wird dabei langsamer. Aufgrund ihrer großen Wellenlänge sind Tsunamis nahezu überall Flachwasserwellen. Sie bewegen also im Gegensatz zu Windwellen die ganze Wassersäule. Ihre Geschwindigkeit ist daher praktisch überall von der Wassertiefe abhängig.

Tsunamis sind Schwerewellen gerahmt|Bei der Fortpflanzung eines Tsunamis bewegt sich die gesamte Wassersäule (Größenordnung übertrieben). Wellenausbreitung ist 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, also reibungsfreien, inkompressiblen und wirbelfreien Flüssigkeit zu betrachten. Mathematisch werden Tsunamis als Lösungen der Korteweg-de-Vries-Gleichung beschrieben.

Die Theorie der Schwerewellen vereinfacht sich in den beiden Grenzfällen der Tief- und der Flachwasserwelle. Normale Wellen, die beispielsweise durch Wind, fahrende Schiffe oder ins Wasser geworfene Steine verursacht werden, sind meist Tiefwasserwellen, da sich ihre Wellenbasis in der Regel über dem Grund des Gewässers befindet, also dort, wo die Welle keine Auswirkungen mehr hat. Ein Tsunami hingegen ist auch im tiefsten Ozean eine Flachwasserwelle, da die gesamte Wassersäule bewegt wird und sich auch am Ozeanboden eine langsamere Bewegung in Richtung der Wellenausbreitung feststellen lässt. Dem entspricht, dass bei Tsunamis die Wellenlänge (Entfernung von einem Wellenberg zum nächsten) viel größer ist als die Wassertiefe. Dabei wird eine wesentlich größere Wassermenge bewegt.

Ein Tsunami wird vereinfacht durch zwei Grundparameter beschrieben: seine mechanische Energie ; seine Wellenperiode : die Zeit, die vergeht, in der zwei aufeinander folgende Wellenberge denselben Punkt passieren. Während der Ausbreitung eines Tsunamis bleiben diese beiden Parameter weitgehend konstant, da wegen der großen Wellenlänge die Energieverluste durch Reibung vernachlässigbar sind.

Tsunamis seismischer Natur weisen lange Wellenperioden auf, die sich zwischen zehn Minuten und zwei Stunden bewegen. Durch andere Ereignisse als Erdbeben erzeugte Tsunamis haben oft kürzere Wellenperioden im Bereich von einigen Minuten bis zu einer Viertelstunde. Andere Eigenschaften wie die Wellenhöhe und -länge oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängen neben den beiden Grundparametern nur von der Meerestiefe ab.

Geschwindigkeit mini|Ausbreitung des Tsunamis vom 26. Dezember 2004 Die Geschwindigkeit eines Tsunamis hängt von der Meerestiefe ab: Je tiefer das Meer, desto schneller ist der Tsunami. Die Geschwindigkeit einer Tsunamiwelle (genauer: ihre Phasengeschwindigkeit) ergibt sich aus der Wurzel des Produktes von Erdbeschleunigung und Wassertiefe

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt somit in Ozeanen (Wassertiefe ca. 5000 m) ca. 800 km/h. Das ist vergleichbar mit der Reisegeschwindigkeit eines Flugzeuges. Tsunamis können also binnen einiger Stunden ganze Ozeane durchqueren und sich bis zu 20 000 km ausbreiten, ohne dabei unmittelbar bemerkt zu werden. Bei vom Wind erzeugten Wellen dagegen liegen die Geschwindigkeiten zwischen 8 km/h und 100 km/h. Bei niedriger Wassertiefe, also in Küstennähe, verlangsamt sich der Tsunami, wie auf nebenstehender Animation zu sehen ist. Damit verringert sich auch die Wellenlänge, wodurch es zu einem Anstieg der Wellenhöhe und schließlich zum Brechen der Welle kommt.

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 in einem Gewässer der Tiefe kann man das sogar quantitativ angeben: Die Geschwindigkeit, mit der sich die an der Welle beteiligte Materie zirkulär bewegt, ist um einen Faktor kleiner als die Phasengeschwindigkeit der Welle. Für einen großen Tsunami liegt dieser Faktor in der Größenordnung : Wenn sich eine Welle im offenen Meer mit ausbreitet, bewegen sich die Wasserelemente nur mit . Dies ist klein im Vergleich zu Strömungen und Windwellen und nicht direkt beobachtbar. Zugleich erklärt es den nur geringen Energieverlust der Schwerewelle bei ihrer Wanderung.

Wellenlänge mini|Ausbreitungszeiten (in Stunden) der Tsunamis von 1960 (Chile) und 1964 (Alaska) Tsunamis sind, da ihre Wellenlänge viel größer als die Meerestiefe ist, sogenannte Flachwasserwellen. Typische Wellenlängen bei Tsunamis liegen zwischen 100 km und 500 km. Die Wellenlängen von winderzeugten Wellen erreichen dagegen nur zwischen 0,2 km und 1 km. Allgemein gilt für Wellen die Beziehung

zwischen Geschwindigkeit , Wellenlänge und Wellenperiode .

Mit der Tsunamigeschwindigkeit von oben und der Angabe der Wellenlänge können typische Wellenperioden über

errechnet werden zu:

ist die Zeit, die bis zum Eintreffen der zweiten Welle vergeht. mini|Küstenabschnitt von Leupung nach dem Tsunami in der Provinz Aceh, Indonesien Je größer die Wellenlänge, desto geringer sind die Energieverluste während der Wellenausbreitung. Bei kreisförmiger Ausbreitung ist die Energie, mit der eine Welle auf einen Küstenstreifen auftrifft, in erster Näherung umgekehrt proportional zum Abstand vom Entstehungsort des Tsunamis.

+ Geschwindigkeit und Wellenlänge eines Tsunamis in Abhängigkeit von der WassertiefeManuel Martin-Neira, Christopher Buck: A Tsunami Early-Warning System – The Paris Concept. (PDF; 807 kB) ESA Bulletin Nr. 124, November 2005, S. 50–55. Tiefe (m) Geschwindigkeit (km/h) Wellenlänge (km) 10 36 10,6 50 79 23 200 159 49 2000 504 151 4000 713 213 7000 943 282

Amplitude (Wellenhöhe) Die Wellenhöhe (Amplitude) des Tsunamis hängt von der Energie und der Wassertiefe ab. Bei Tsunamis mit großer Wellenlänge gilt:

Tsunami

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