Die beiden Erdbeben der Stärke 6,4 und 7,1, die am 4. bzw. 5. Juli das Gebiet von Ridgecrest in der kalifornischen Mojave-Wüste nordöstlich von Los Angeles erschütterten, wurden von bis zu 30 Millionen Menschen in Kalifornien, Nevada, Arizona und Baja California gespürt und führten zu Todesopfern, Verletzten, Schäden in Milliardenhöhe und einer Menge zerrissener Nerven. Auch wenn die Auswirkungen aufgrund der abgelegenen Lage zweifellos geringer waren, so waren die Beben doch ein Weckruf für die selbstgefälligen Kalifornier, die wissen, dass sie in einem Erdbebengebiet leben und sich auf das unvermeidliche „Große Beben“ vorbereiten müssen, das laut Wissenschaftlern mit Sicherheit kommen wird. Außerdem haben sie die Menschen dazu gebracht, über alle Aspekte von Erdbeben zu sprechen.
Es gibt viele Mythen über Erdbeben. Ein weit verbreiteter Mythos besagt, dass es so etwas wie „Erdbebenwetter“ gibt – bestimmte Wetterbedingungen, die typischerweise einem Erdbeben vorausgehen, wie heiß und trocken oder trocken und bewölkt. Der Mythos geht auf den griechischen Philosophen Aristoteles zurück, der im 4. Jahrhundert v. Chr. vorschlug, dass Erdbeben durch eingeschlossene Winde verursacht werden, die aus unterirdischen Höhlen entweichen. Er glaubte, dass die großen Mengen an Luft, die unter der Erde eingeschlossen sind, das Wetter an der Erdoberfläche vor einem Beben heiß und ruhig machen würden.
Mit dem Aufkommen der Seismologie – der Erforschung von Erdbeben – wissen wir heute, dass die meisten Beben durch tektonische Prozesse verursacht werden – Kräfte innerhalb der festen Erde, die Veränderungen in der Struktur der Erdkruste bewirken, vor allem das Aufbrechen unterirdischer Gesteinsmassen entlang von Verwerfungen (lineare Schwächezonen). Wir wissen auch, dass die meisten Erdbeben weit unter der Erdoberfläche stattfinden, weit außerhalb des Einflusses von Oberflächentemperaturen und -bedingungen. Und schließlich wissen wir, dass die statistische Verteilung von Erdbeben über alle Arten von Wetterbedingungen hinweg ungefähr gleich ist. Mythos widerlegt.
Laut dem U.S. Geological Survey besteht die einzige Korrelation zwischen Erdbeben und Wetter darin, dass große Veränderungen des atmosphärischen Drucks, die durch große Stürme wie Hurrikane verursacht werden, gelegentlich so genannte „langsame Erdbeben“ auslösen, bei denen die Energie über vergleichsweise lange Zeiträume freigesetzt wird und die nicht wie herkömmliche Erdbeben zu Bodenerschütterungen führen. Sie stellen fest, dass solche großen Tiefdruckveränderungen zwar potenziell zur Auslösung eines schädlichen Erdbebens beitragen könnten, aber „die Zahlen sind klein und statistisch nicht signifikant.“
Aber was ist mit dem Klima? Gibt es einen Zusammenhang zwischen Klimaphänomenen und Erdbeben? Wir haben den Geophysiker Paul Lundgren vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, gebeten, eine wissenschaftliche Untersuchung zu diesem Thema durchzuführen.
Abwägung der seismischen Folgen von Wasser
Um einen Zusammenhang zwischen Klima und Erdbeben herzustellen, so Lundgren, muss man zunächst feststellen, welche Arten von tektonischen Prozessen mit Klimaphänomenen zusammenhängen könnten. Die Wissenschaftler wissen, dass Erdbeben durch Veränderungen der Spannung auf einer Verwerfung ausgelöst oder verhindert werden können. Die größte Klimavariable, die die Spannungsbelastung einer Verwerfung verändern könnte, ist das Oberflächenwasser in Form von Regen und Schnee. Laut Lundgren haben mehrere Studien solche Zusammenhänge belegt. Aber es gibt einen Haken.
„Typischerweise haben wir diese Art von Korrelationen bei der Mikroseismizität gesehen – winzige Erdbeben mit Magnituden unter Null, viel kleiner als der Mensch spüren kann“, sagte er. „
Lundgren zitierte Arbeiten seines Kollegen Jean-Philippe Avouac vom Caltech und anderer, die eine Korrelation zwischen der Mikroseismizität im Himalaya und der jährlichen Monsunzeit festgestellt haben. Während der Sommermonate fallen große Mengen an Niederschlag in der indogermanischen Tiefebene, die die nördlichen Regionen des indischen Subkontinents umfasst. Dadurch wird die Erdkruste dort stärker belastet und die Mikroseismizität im angrenzenden Himalaya verringert. Während der winterlichen Trockenzeit, wenn in der Ebene weniger Wasser auf der Erdkruste lastet, erreicht die Mikroseismizität im Himalaya ihren Höhepunkt.
Lundgren sagt, dass es viel schwieriger wird, solche Rückschlüsse auf größere Erdbeben zu ziehen.
„Wir haben gesehen, dass relativ kleine Spannungsänderungen aufgrund von klimatischen Einflüssen die Mikroseismizität beeinflussen können“, sagt er. „Viele kleine Risse in der Erdkruste sind instabil. Wir sehen auch, dass Gezeiten schwache Erdstöße, die als Mikroseismizität bekannt sind, verursachen können. Das eigentliche Problem besteht jedoch darin, unser Wissen über Mikroseismizität auf ein großes Beben oder ein Beben beliebiger Größe, das die Menschen spüren könnten, zu übertragen. Wir wissen nicht, wann eine Verwerfung den kritischen Punkt erreicht, an dem eine nicht-tektonische Kraft, die mit einem Klimaprozess zusammenhängt, das Fass zum Überlaufen bringt und zu einem großen Erdbeben führt, und warum gerade dann und nicht früher“, sagte er. „Wir sind zum jetzigen Zeitpunkt einfach nicht in der Lage zu sagen, dass Klimaprozesse ein großes Beben auslösen könnten.“
Was ist mit Dürren?
Wir wissen, dass saisonale Effekte Veränderungen an Verwerfungen verursachen können, aber was ist mit weniger periodischen Klimaphänomenen, wie einer langfristigen Dürre? Könnten auch sie Veränderungen verursachen?
Wie sich herausstellt, können die Veränderungen der Stressbelastung der Erdkruste durch Dürreperioden tatsächlich erheblich sein. Eine Studie des JPL-Wissenschaftlers Donald Argus und anderer Forscher aus dem Jahr 2017, die Daten aus einem Netz hochpräziser GPS-Stationen in Kalifornien, Oregon und Washington nutzten, ergab, dass abwechselnde Dürreperioden und starke Niederschläge in der Sierra Nevada zwischen 2011 und 2017 tatsächlich dazu führten, dass das Gebirge um fast einen Zentimeter anstieg und dann wieder um die Hälfte dieser Menge sank, da das Gestein während der Dürre Wasser verlor und es dann wieder aufnahm. Die Studie untersuchte nicht speziell mögliche Auswirkungen auf Verwerfungen, aber solche Belastungsänderungen könnten sich möglicherweise auf Verwerfungen in oder in der Nähe der Gebirgskette auswirken.
Auch das Abpumpen von Grundwasser aus unterirdischen Aquiferen durch den Menschen, das in Dürrezeiten verstärkt wird, hat nachweislich Auswirkungen auf die Belastungsmuster, indem es die Erdkruste „entlastet“. Lundgren verwies auf eine 2014 in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Studie von Amos et al., die die Auswirkungen der Grundwasserentnahme im kalifornischen Central Valley auf die Seismizität der angrenzenden San-Andreas-Verwerfung untersuchte. Die Forscher fanden heraus, dass solche Entnahmen seitliche Spannungsänderungen auf den beiden Seiten der San-Andreas-Verwerfung fördern können, die sich entlang der Grenze zwischen zwei großen tektonischen Platten horizontal gegeneinander bewegen. Dies könnte dazu führen, dass sie sich lösen und verrutschen, was zu einem Erdbeben führen könnte.
„Solche Spannungen sind gering, aber wenn Grundwasser über einen langen Zeitraum gepumpt wird, könnten sie bedeutender werden“, sagte er. „Auch wenn solche Veränderungen im Vergleich zu Spannungsveränderungen, die durch den normalen Aufbau von Spannungen an einer Verwerfung aufgrund tektonischer Prozesse verursacht werden, gering sind, könnten sie das nächste große Beben an der San-Andreas-Kette möglicherweise beschleunigen. Da der Schlupf auf einer Verwerfung mit der Zeit zwischen den Erdbeben zunimmt, könnte dies außerdem zu häufigeren, aber kleineren Beben führen.“
Der Fort Tejon-Abschnitt der San-Andreas-Verwerfung, der dem Central Valley am nächsten liegt, brach jedoch zuletzt 1857, so Lundgren. Angesichts der Unregelmäßigkeit der Erdbeben entlang der Verwerfung und der großen zeitlichen Schwankungen zwischen den einzelnen Ereignissen sind die Wissenschaftler beim derzeitigen Kenntnisstand weit davon entfernt, zu wissen, wann und wo das nächste große Erdbeben stattfinden wird.
Fire and Ice: Gletscher und tektonische Prozesse
Ein weiteres klimabezogenes Phänomen, von dem angenommen wird, dass es mit tektonischen Prozessen zusammenhängt, ist die Vergletscherung. Der Rückzug eines Gletschers kann die Spannungen in der darunter liegenden Erdkruste verringern, was sich auf die Bewegung des unterirdischen Magmas auswirkt. Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Geology veröffentlichte Studie über die vulkanische Aktivität in Island vor 4.500 bis 5.500 Jahren, als die Erde viel kühler war als heute, ergab einen Zusammenhang zwischen der Vergletscherung und der erhöhten vulkanischen Aktivität. Umgekehrt gingen die Ausbrüche zurück, als die Gletscherbedeckung zunahm.
Die rasche Bewegung der Gletscher kann auch zu so genannten Gletscherbeben führen. Die Häufigkeit von Gletscherbeben in Grönland erreicht in den Sommermonaten ihren Höhepunkt und hat im Laufe der Zeit stetig zugenommen, möglicherweise als Reaktion auf die globale Erwärmung.
Wassernutzung durch den Menschen und induzierte Seismizität
Neben den klimabedingten Auswirkungen des Wassers auf die Seismizität können auch die Bewirtschaftung und Nutzung von Wasser durch den Menschen Erdbeben durch ein Phänomen beeinflussen, das als induzierte Seismizität bekannt ist.
So wurde beispielsweise das in großen Staudämmen gespeicherte Wasser an verschiedenen Orten der Welt mit der Erdbebentätigkeit in Verbindung gebracht, wobei die Auswirkungen jedoch lokal begrenzt sind. Im Jahr 1975, etwa acht Jahre nachdem der Oroville-See in Nordkalifornien, der zweitgrößte von Menschenhand geschaffene Stausee des Staates, hinter dem Oroville-Damm angelegt wurde, ereignete sich in der Nähe eine Reihe von Erdbeben, von denen das stärkste die Stärke 5,7 erreichte. Kurz nachdem das Wasser im Stausee auf den niedrigsten Stand seit seiner ursprünglichen Befüllung abgesenkt worden war, um die Zuleitungen zum Kraftwerk des Staudamms zu reparieren, und dann wieder aufgefüllt worden war, ereigneten sich die Erdbeben.
Verschiedene Studien, die die Beben untersuchten, kamen zu dem Schluss, dass Schwankungen im Wasserstand des Stausees und entsprechende Veränderungen im Gewicht des Stausees die Spannungen auf einer lokalen Verwerfung veränderten und so die Beben auslösten. Die Überwachung der Erdbebentätigkeit am Stausee in den Jahren nach den Beben ergab eine saisonale Korrelation zwischen dem Füllstand des Stausees und der Seismizität. Die Seismizität nimmt ab, wenn sich der Stausee im Winter und Frühjahr füllt, und die stärksten Erdbeben treten tendenziell auf, wenn der Stauseepegel im Sommer und Herbst sinkt.
Ausgelöste Seismizität kann auch auftreten, wenn menschliche Wasseranwendungen eine Verwerfung schmieren. Studien des USGS und anderer Institutionen haben einen Zusammenhang zwischen dem starken Anstieg der Erdbebentätigkeit in Oklahoma und anderen Staaten des Mittleren Westens und des Ostens der USA in den letzten Jahren und der zunehmenden Praxis des Einspritzens von Abwasser in den Boden während der Erdölförderung festgestellt. Durch Injektionsbohrungen werden Flüssigkeiten unterirdisch in poröse geologische Formationen eingebracht, wo sie nach Ansicht von Wissenschaftlern manchmal in vergrabene Verwerfungen eindringen können, die zum Abrutschen bereit sind, wodurch sich der Porendruck auf ihnen ändert und sie ins Rutschen geraten.
Getting the Big Picture of the Earth System’s Interconnectivity
Lundgren sagt, als er anfing, Erdbeben zu untersuchen, konzentrierte sich alles darauf, sie im Kontext der Plattentektonik und der Prozesse in der Erdkruste zu verstehen. Aber das ändert sich jetzt.
„In den letzten zehn Jahren, mit der weit verbreiteten Einführung neuer Technologien wie GPS, die eine größere räumliche Verteilung und Empfindlichkeit aufweisen, hat man begonnen, auch andere Effekte zweiter Ordnung zu untersuchen – andere Faktoren, die einen Einfluss auf Erdbeben haben könnten“, sagte er. „Es ist sehr faszinierend, mögliche Verbindungen zwischen Erdbeben und Klima zu finden, wie zum Beispiel saisonale Unterschiede. Die Herausforderung besteht jedoch darin, solche Zusammenhänge mit der fundamentalen Physik in Einklang zu bringen.“
„Wir sind nicht annähernd in der Lage vorherzusagen, wann ein Erdbeben als Folge von Klimaprozessen auftreten kann“, schloss er. „Selbst wenn wir wissen, dass ein äußerer Klimaprozess möglicherweise ein Verwerfungssystem beeinflusst, können wir, da wir den potenziellen Zustand der Bruchbereitschaft der Verwerfung nicht kennen, noch nicht diese zusätzliche Schlussfolgerung ziehen, um zu sagen, ah ha, ich könnte eine Woche oder einen Monat später ein Beben bekommen.“
Was diese Studien jedoch unterstreichen, ist die unglaubliche Komplexität unseres Erdsystems. Weitere Forschungen werden uns helfen, besser zu verstehen, wie die verschiedenen Komponenten miteinander verbunden sind, manchmal auf überraschende Weise.