Forscher der Universität Kyoto haben kürzlich ein neues theoretisches Modell vorgeschlagen, das zu erklären versucht, wie „Weltraumwetter“ wie Sonnenaktivität unter bestimmten Bedingungen den Bruchprozess tief in der Erdkruste schwach, aber möglicherweise entscheidend beeinflussen und dadurch in seltenen Fällen das Auftreten großer Erdbeben „begünstigen“ kann.
Das Forschungsteam betont, dass es sich hierbei nicht um eine Methode zur Vorhersage von Erdbeben handelt, sondern einen physikalischen Weg vorschlägt, der mit starker Sonnenaktivität wie Sonneneruptionen beginnt und schließlich die fragile Zone der Erdkruste erreicht: Die Sonnenaktivität wird die Verteilung geladener Teilchen in der Ionosphäre der oberen Atmosphäre schnell verändern, und diese Umverteilung der ionosphärischen Ladung wird die Ausbreitung von Signalen des Global Navigation Satellite System (GNSS) in der oberen Atmosphäre verändern. Dies ist einer der wichtigen Gründe, warum die wissenschaftliche Gemeinschaft weiterhin den Gesamtelektronengehalt der Ionosphäre überwacht.
Innerhalb der Erdkruste konzentriert sich das Modell speziell auf Zonen mit stark zerklüftetem Gestein, die bei hohen Temperaturen und Drücken Wasser einschließen und möglicherweise überkritische Flüssigkeiten erzeugen können. Forscher betrachten solche beschädigten Krustenbereiche als elektrisch aktive „Kondensatoren“, die durch kapazitive Kopplung mit der Oberfläche und der unteren Ionosphäre verbunden sind und ein elektrostatisches Gesamtsystem bilden, und nicht als separate Schichtstrukturen.
Bei schweren Weltraumwetterereignissen wie schweren Sonnenstürmen kann die Elektronendichte in der Ionosphäre deutlich ansteigen, wodurch in tieferen Höhen eine elektronegativere Schichtstruktur entsteht. Das Modell geht davon aus, dass diese Änderung der atmosphärischen Ladung nicht nur in großen Höhen bestehen bleibt. Da die Systeme durch Kapazität miteinander verbunden sind, können Änderungen in der Ladungsverteilung der Ionosphäre in winzigen Lücken im gebrochenen Gestein der Erdkruste stärkere elektrische Felder induzieren und die Skala kann auf Poren im Nanometerbereich verfeinert werden.
Warum ist dieser Prozess für Erdbeben relevant? Studien haben gezeigt, dass Druckänderungen in winzigen Hohlräumen die Ausdehnung und Verbindung von Rissen beeinflussen, insbesondere wenn sich die Verwerfungszone nahe dem kritischen Zustand der Instabilität befindet. Den Berechnungen des Kyoto-Teams zufolge kann dieser durch ein elektrisches Feld induzierte elektrostatische Druck eine Größenordnung erreichen, die mit anderen bekanntermaßen schwachen Faktoren vergleichbar ist, aber die Verwerfungsstabilität beeinflussen kann, wie etwa Gezeitenkräfte und kleine Änderungen der Gravitationsspannung.
Quantitative Schätzungen zeigen, dass dieser Effekt einer großen Störung des Gesamtelektronengehalts der Ionosphäre entspricht, insbesondere wenn der Gesamtelektronengehalt um Dutzende TEC-Einheiten ansteigt. Das Modell zeigt, dass in winzigen Lücken in der Erdkruste elektrostatischer Druck in der Größenordnung von mehreren Megapascal erzeugt werden kann. In einer geeigneten geologischen Umgebung reicht dieser Bereich aus, um mechanische Bedeutung zu haben und ein potenziell auslösender Faktor für Bruchinstabilität zu werden.
Vor dem Auftreten mehrerer schwerer Erdbeben hat die wissenschaftliche Gemeinschaft wiederholt abnormale ionosphärische Phänomene beobachtet, wie z. B. eine erhöhte Elektronendichte, eine verringerte ionosphärische Höhe und eine abnormale Ausbreitung mesoskaliger wandernder ionosphärischer Störungen. In der Vergangenheit wurden diese Anomalien oft als „Ergebnis“ der Anhäufung von Krustenspannungen interpretiert, die sich nach oben koppelten und sich auf die Ionosphäre auswirkten, und nicht als „Ursache“, die sich auf den Krustenbruchprozess auswirken würde.
Das diesmal vorgeschlagene neue Modell bietet einen interaktiven Rahmen: Einerseits können Krustenprozesse die Ionosphäre beeinflussen; Andererseits können Störungen in der Ionosphäre selbst durch elektrostatische Kopplung nach unten rückwirken und zusätzliche kleine Kräfte auf die Kruste ausüben, die sich nahe einem kritischen Zustand befindet. Diese Idee bietet einen physikalischen Erklärungspfad, der keine „direkte Kausalität“ für die Existenz eines bestimmten Zusammenhangs zwischen Weltraumwetterphänomenen und seismischer Aktivität erfordert.
Einige schwere Erdbebenfälle in Japan in den letzten Jahren, darunter das Erdbeben auf der Noto-Halbinsel im Jahr 2024, werden in der Studie auch als Beispiele für die zeitliche Konsistenz dieses Mechanismus diskutiert: Bei diesen Ereignissen kam es kurz vor dem Erdbeben zu starker Sonneneruptionsaktivität. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Zeitübereinstimmung keinen direkten Kausalzusammenhang beweist, sondern mit einem Szenario übereinstimmt, in dem ionosphärische Störungen als zusätzliche Auslöser wirken, wenn sich die Kruste bereits in einem kritischen Zustand befindet.
Durch die Integration von Konzepten aus der Plasmaphysik, der Atmosphärenwissenschaft und der Geophysik erweitert dieses Modell das traditionelle Verständnis von Erdbeben als vollständig von erdinternen Prozessen dominiert. Die Forschungsergebnisse legen nahe, dass die gleichzeitige Überwachung der ionosphärischen Bedingungen sowie unterirdischer Strukturen und Spannungszustände dazu beitragen kann, ein tieferes Verständnis des Erdbebenauslösemechanismus zu erlangen und eine neue physikalische Dimension für die mittel- bis langfristige Erdbebenrisikobewertung bereitzustellen.
Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Verwendung hochauflösender GNSS-Daten der ionosphärischen Tomographie in Kombination mit detaillierten Beobachtungen des Weltraumwetters konzentrieren, um weiter zu klären, unter welchen spezifischen Bedingungen ionosphärische Störungen erhebliche elektrostatische Effekte in der Erdkruste hervorrufen können, und um die Anwendbarkeit und Bedeutung dieses Mechanismus in verschiedenen tektonischen Umgebungen auf der ganzen Welt zu bewerten. Die entsprechende Forschung trug den Titel „Möglicher Mechanismus von Erdbeben, die durch ionosphärische Anomalien ausgelöst werden – die elektrostatische Kopplung zwischen der Ionosphäre und der Erdkruste und die in der Erdkruste erzeugte elektrische Energie“ und wurde im Februar 2026 im „International Journal of Plasma Environmental Science and Technology“ veröffentlicht.