Satellitenbilder der ESA revolutionieren die Erdbebenforschung

US-Wissenschaftler würdigen die Leistungen der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Sie haben Bildmaterial eines Erdbebens ausgewertet, das 1999 die Mojave-Wüste im Westen der USA erzittern ließ. Ihre Studie zeigt neue Wege zur Identifizierung aktiver Verwerfungen der Erdkruste auf. Auch wann eine Störungszone zuletzt von Erdstößen heimgesucht wurde, ist nun leichter festzustellen.

Glücksfall Erdbeben

Forscher des Scripps-Instituts für Ozeanografie an der University of California in San Diego und des California Institute of Technology (Caltech) haben in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ eine eingehende Studie über das so genannte „Hector-Mine“-Beben veröffentlicht. Die heftigen Erdstöße erzeugten Bodenverwerfungen auf einer Länge von rund 140 Kilometern und erreichten eine Stärke von 7,1. Dennoch richtete das nach einem verlassenen Bergwerk vor Ort benannte Beben in dem Gebiet kaum Schaden an. Laut Yuri Fialko, dem Hauptautor der Science-Veröffentlichung, war dieses Beben sogar ein Glücksfall, bot es doch die einmalige Chance, mit Satelliten- und Radartechnologie außergewöhnliche Merkmale der Verwerfungen zu dokumentieren.

Gestein im Rückwärtsgang

Als die Wissenschaftler die Radarbilder aus dem All auswerteten, erlebten sie eine Überraschung: Sie stellten fest, dass sich Bodenverwerfungen in manchen Fällen offenbar rückwärts bewegen. „Selbst geringe Änderungen der Druckverhältnisse durch weit entfernte Beben können in Verwerfungsgebieten leichte Bewegungen auslösen. Bislang hat man dabei aber nur Vorwärtsbewegungen beobachtet“, erläutert Fialko. „Wir konnten belegen, dass sich in diesem Fall die Verwerfungen durch minimale Spannungsveränderungen rückwärts bewegt hatten, was wirklich ziemlich ungewöhnlich ist“, so Fialko.

Die Untersuchung führt zu dem Schluss, dass diese Rückwärtsbewegung nicht durch Reibungsgleiten großer Gesteinspakete entsteht, sondern mit dem unterschiedlichen Gesteinsmaterial in den Verwerfungen selbst zusammenhängt. Wie Fialko erläutert, werden die Ergebnisse sicherlich zu neuen seismischen Untersuchungen in Gebieten mit Verwerfungen unterschiedlicher Zusammensetzung führen. Sie können helfen, potenziell aktive Störungszonen aufzuspüren. Sie leisten damit einen Beitrag zur Erdbebenvorhersage.

Getrickste Präzision

Das Erdbeben wurde durch bildgebende Radarinterferometrie mit synthetischer Apertur (InSAR) umfassend dokumentiert. Bei diesem Verfahren sendet das Satellitenradar kurze Impulse zur Erde und registriert die Echos. Dabei peilen die Satelliten einen bestimmten Punkt der Erde beim Überflug mehrmals aus unterschiedlichen Winkeln an. Die Bodenstation rechnet die nach und nach eintreffenden Signale zu einer hochauflösenden digitalen Geländeabbildung zusammen.
Hinter dem etwas schwer vermittelbaren Begriff der synthetischen Apertur verbirgt sich also ein schlauer Trick: Viele einzelne Aufnahmen werden zu einem Gesamtbild zusammengesetzt, das dann wesentlich detailgenauer ist als eine einzige Aufnahme. Veränderungen der Erdoberfläche lassen sich so extrem genau nachvollziehen.

Beifall für Europas Erdbeobachter

In ihrem Science-Artikel betonten die Wissenschaftler, dass die ESA-Satelliten ERS-1 und ERS-2 das Erbebengebiet in den vergangenen 10 Jahren mehrfach abgetastet haben. Eine Auswertung aller InSAR-Aufnahmen vom Tag des Erdbebens selbst erbrachte schließlich 20 relevante Interferogramme. „Vor InSAR standen uns nur Punktmessungen direkt aus der Deformationszone zur Verfügung. Dank des InSAR-Verfahrens können wir uns nun auf Millionen von punktuellen Messwerten stützen, die ein umfassendes Bild der Bodendeformation in Südkalifornien vermitteln“, erklärte Peter Shearer vom Scripps-Institut, ein Koautor der Science-Veröffentlichung.

Anhand der Satellitendaten konnten die Wissenschaftler horizontale und vertikale Geländeveränderungen im Millimeter- und Zentimeterbereich in einem weiten Gebiet um die Verwerfungen herum aufspüren. „Es waren die äußerst erfolgreichen Satellitenmissionen der Europäischen Weltraumagentur, die diese Erkenntnisse ermöglicht haben“, so die Forscher Scripps-Instituts.

Mit Argusaugen im All

Das erste Radar mit synthetischer Apertur (SAR) befand sich an Bord des 1991 gestarteten europäischen Erdbeobachtungssatelliten ERS-1. 1995 gelangte der nahezu baugleiche ERS-2 mit einem weiteren SAR-System in die Umlaufbahn. Das äußerst erfolgreiche Satellitenduo der ESA konnte ein Fülle wertvoller Daten über die Landmassen, Ozeane und Polkappen unseres Heimatplaneten liefern, insbesondere in den Jahren, in denen die beiden Satelliten die Erde im Tandembetrieb umrundeten, also quasi im Formationsflug.
Heute nutzen weltweit einige hundert Forschungsgruppen die ERS-Daten für ihre Untersuchungen. Das InSAR-Verfahren hat sich als geowissenschaftlicher Durchbruch mit neuen Erkenntnissen über Erdbeben und anderen Naturereignissen erwiesen.

Das neue europäische Argusauge am Himmel heißt Envisat. Der am 1. März 2002 gestartete komplexeste Umweltsatellit der ESA hat ein weiterentwickeltes SAR-Radarsystem (ASAR) mit extrem geschärftem Blick an Bord: Das ASAR-Instrument kann unter anderem Signale mit unterschiedlicher Polarisierung abstrahlen und empfangen, was die Präzision bei der Geländekartierung noch einmal sehr deutlich verbessert. Envisat dürfte daher sowohl die Erdbebenforschung als auch die Erdbebenvorhersage revolutionieren.