NASA-Satellit erhält erste hochauflösende Panoramaaufnahme des riesigen Tsunamis im Pazifik

Ein starkes Erdbeben mit einer Stärke von 8,8, das sich in der Nähe der Halbinsel Kamtschatka in Russland ereignete, löste Ende Juli einen Tsunami über dem Pazifik aus. Ein speziell zur Messung der Meeresoberflächenhöhe konzipierter Satellit hat diese riesige Welle erstmals vollständig und mit hoher Auflösung aus dem Weltraum „verfolgt“.

Eine kürzlich in „The Seismic Record“ veröffentlichte Studie wies darauf hin, dass der von den USA und Frankreich gemeinsam entwickelte Satellit „Surface Water and Ocean Topography“ (SWOT) die erste hochauflösende Weltraumbeobachtungsspur eines großen Tsunamis aufzeichnete, der durch dieses Erdbeben in der Subduktionszone ausgelöst wurde. Es zeigte eine viel komplexere Wellenstruktur als erwartet, und die Energie breitete sich weiter auf der riesigen Meeresoberfläche aus. Die Forscher gehen davon aus, dass dieses Ergebnis den Menschen dabei helfen soll, ein tieferes Verständnis für den Mechanismus der Tsunami-Ausbreitung zu erlangen und so die Einschätzung möglicher Auswirkungen auf Küstengebiete zu verbessern.

Die Studie wurde vom Forscher der Universität von Island, Angel Ruiz-Angulo, und anderen durchgeführt. Sie analysierten gemeinsam Meeresoberflächenhöhendaten, die vom SWOT-Satelliten und DART-Bojenbeobachtungsaufzeichnungen (Deep Sea Tsunami Assessment and Reporting) erhalten wurden, die entlang des Tsunami-Ausbreitungspfads eingesetzt wurden. Die Ergebnisse enthüllten nicht nur die ungewöhnlich komplexen Details der Tsunami-Wellenform, sondern lieferten auch neue Einschränkungen für die Rekonstruktion des Bruchprozesses dieses Erdbebens der Stärke 8,8 in der Subduktionszone des Kamtschatka-Kurile-Bogens. Dieses Erdbeben ereignete sich am 29. Juli und war das sechststärkste seit 1900 weltweit aufgezeichnete Erdbeben.

Ruiz-Angulo beschrieb SWOT-Daten als „eine neue Brille für Forscher“. Bisher stützte sich die wissenschaftliche Forschungsgemeinschaft hauptsächlich auf über den Pazifik verteilte DART-Bojen, um Tsunami-Informationen zu erhalten, mit denen Tsunami-Signale nur an begrenzten Punkten des riesigen Meeresgebiets „abgetastet“ und aufgezeichnet werden konnten. Obwohl auch andere Satelliten Höhenänderungen der Meeresoberfläche beobachten können, können sie im Idealfall nur eine dünne Linie des Tsunamis „überstreichen“. Im Gegensatz dazu kann SWOT pro Transit Daten zu Meeresoberflächenschwaden mit einer Breite von bis zu etwa 120 Kilometern erfassen und Höhenschwankungen der Meeresoberfläche mit beispiellos hoher räumlicher Auflösung charakterisieren.

Der SWOT-Satellit wird im Dezember 2022 gestartet und wird gemeinsam von der NASA und dem französischen Nationalen Zentrum für Weltraumforschung (CNES) entwickelt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die erste hochpräzise Kartierung globaler Oberflächengewässer und Meeresoberflächen durchzuführen. Ruiz-Angulo sagte, dass er und sein Co-Autor Charly de Marez bereits mehr als zwei Jahre lang SWOT-Daten verwendet hätten, um kleine Wirbel und andere Strukturen im Ozean zu untersuchen, und dass sie ursprünglich nicht damit gerechnet hatten, die Gelegenheit zu haben, in einen großen Tsunami zu „stoßen“.

Diese Beobachtung zwang auch die wissenschaftliche Forschungsgemeinschaft dazu, die Ausbreitungseigenschaften großer Tsunamis zu überdenken. Lange Zeit herrschte die allgemeine Ansicht vor, dass riesige Tsunamis mit Wellenlängen, die viel größer als die durchschnittliche Meerestiefe sind, „nicht dispersive Wellen“ seien und bei der Ausbreitung über den Ozean von den Gesamtwellenformen dominiert werden sollten, und dass die Energie nicht einfach in mehrere Wellengruppen aufgeteilt werden könne. Die von SWOT erhaltenen Daten dieses Ereignisses zeigten jedoch deutlich die Existenz des Dispersionseffekts: Die Tsunami-Energie wurde während des Ausbreitungsprozesses in mehrere Gruppen verschiedener Wellenkomponenten zerlegt und zeigte eine erhebliche räumliche Dispersion und strukturelle Modulation.

Das Forschungsteam verglich die Ergebnisse numerischer Simulationen zum Ausbreitungsverhalten mit tatsächlichen Messungen von Satelliten und Bojen und stellte fest, dass die Konsistenz zwischen dieser Art von „Ausbreitungsmodell“ und realen Beobachtungen deutlich besser ist als bei vereinfachten Modellen, die traditionelle Annahmen verwenden. Ruiz-Angulo wies darauf hin, dass dies bedeute, dass den derzeit häufig verwendeten numerischen Tsunami-Modellen „etwas fehlt“ in Bezug auf physikalische Mechanismen, insbesondere die interne Struktur und Energieumverteilung großräumiger Tsunami-Wellengruppen seien noch unzureichend. Er spekulierte weiter, dass diese zusätzliche Dispersionsenergie zu einer „Trailing Wave“-Modulation vor und nach dem Hauptwellenkamm des Tsunamis führen könnte, wodurch die lokale Wellenhöhe und die Ankunftssequenz bei der Annäherung an bestimmte Küsten beeinflusst würden. Diese potenziellen Auswirkungen müssen quantifiziert und in zukünftige Prognosesysteme integriert werden.

In dieser Studie verglich das Team auch SWOT- und DART-Beobachtungen mit früheren Tsunami-Vorhersagen auf der Grundlage von Erdbebenquellen- und Oberflächendeformationsdaten. Sie fanden heraus, dass an einigen Tiefsee-Überwachungsstandorten die traditionell vorhergesagte Ankunftszeit des Tsunamis nicht mit der tatsächlichen DART-Messung übereinstimmte: An einem Standort war die vom Modell angegebene Ankunftszeit zu früh, während sie an einem anderen Standort zu spät war. Um diesen Widerspruch aufzulösen, verwendeten die Forscher die sogenannte „Inversionsmethode“, um die Brucheigenschaften der Quelle unter Verwendung tatsächlicher Bojenmessungen als Einschränkungen neu zu schätzen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Bruchzone dieses Erdbebens der Stärke 8,8 weiter nach Süden erstreckte als von früheren Modellen vorhergesagt, mit einer Gesamtlänge von etwa 400 Kilometern, deutlich länger als die zuvor geschätzten 300 Kilometer.

Diego Melgar, Co-Autor des Papiers, wies darauf hin, dass die seismologische Gemeinschaft seit dem Erdbeben der Stärke 9,0 vor der Küste von Tohoku, Japan, im Jahr 2011 allmählich erkannt hat, dass Tsunami-Beobachtungsdaten von großem Wert für die Eingrenzung der Gleitverteilung flacher Verwerfungen sind. In den letzten Jahren haben Forscher versucht, Tsunami-Daten wie DART mit herkömmlichen seismischen Wellen und Messungen der Oberflächenverformung zu integrieren. Im tatsächlichen Betrieb ist diese Art der Datenkopplung aus mehreren Quellen jedoch noch nicht vollständig normalisiert. Einer der wichtigen Gründe ist, dass es große Unterschiede in den physikalischen und rechnerischen Rahmenbedingungen zwischen dem Fluiddynamikmodell, das Tsunamis simuliert, und dem Modell der festen Erde, das die Ausbreitung seismischer Wellen simuliert, gibt. Er betonte, dass diese Studie einmal mehr zeigt, dass die Kombination einer größeren Vielfalt an Beobachtungen entscheidend für das Verständnis der Eigenschaften von Erdbebenquellen und des Tsunami-Verhaltens ist.

Das Gebiet des Kamtschatka-Kurile-Inselbogens ist ein weltberühmtes Gebiet, das anfällig für starke Erdbeben und Tsunamis ist. Bereits 1952 löste ein schweres Erdbeben der Stärke 9,0 in der Region einen Tsunami über dem Pazifischen Ozean aus und förderte unmittelbar den Aufbau des internationalen Tsunami-Warnsystems. Dieses System spielte auch bei diesem Ereignis im Jahr 2025 eine Schlüsselrolle bei der Frühwarnung und Ausgabe von Warnungen.

Die Forscher sagten, dass mit der zunehmenden Anhäufung von SWOT-ähnlichen Satellitenbeobachtungsdaten diese in Zukunft voraussichtlich eine größere Rolle bei der Echtzeit- oder Quasi-Echtzeit-Tsunami-Vorhersage spielen werden. Ruiz-Angulo sagte, wenn solche Ergebnisse in Zukunft bei weiteren tatsächlichen Ereignissen wiederholt werden könnten, werde dies dazu beitragen, Entscheidungsträgern und Geldgebern zu beweisen, dass Investitionen in spezialisierte Satellitenbeobachtungskapazitäten einen langfristigen Wert für die Verbesserung der globalen Tsunami-Überwachung und der Frühwarnniveaus hätten.