Naturkatastrophen wie Erdbeben und Erdrutsche sind schwer vorherzusagen. Regionen, in denen mehrere tektonische Platten aufeinandertreffen, sind häufiger von Erdbeben betroffen. Wann genau die Erde aber dem Druck nachgibt, der durch die Reibungskräfte entsteht, ist Gegenstand der Forschung.
Forscher der Universität von Amsterdam haben nun ein Mini-Erdbeben im Labor reproduziert. Die Erde unter unseren Füßen ist kein Festkörper, sondern besteht aus Sand und Gesteinsbrocken. Daher ist sie nie gänzlich stabil. Um das zu simulieren, verwendeten die Wissenschaftler eine 1 mm dicke Schicht aus winzigen Kugeln. Jede einzelne Kugel ist so breit wie ein menschliches Haar.
In einer Simulation beobachteten die Forscher, wie Kräfte an einem steilen Berghang oder einer Verwerfung, also Bruchstellen im Gestein, wirken. Dafür drückten sie eine langsam aber konstant rotierende Scheibe auf die Kügelchen. Auch auf dieser kleinen Skala lassen sich die Kräfte, die auf der Erde wirken, demonstrieren.
Winzige seismische Wellen lösen Erdbeben aus
Anschließend ließen sie neben dem Versuchsaufbau einen Ball aufprallen. Das erzeugte eine kleine seismische Welle, die Kügelchen bewegten sich schnell – und ein Miniatur-Erdbeben wurde ausgelöst. "Schon eine sehr kleine Störung, eine kleine seismische Welle, ist in der Lage, das körnige Material komplett neu zu strukturieren", erklärt Studienautor Kasra Farain in einem Statement.
Statt wie ein Feststoff verhielt sich das Granulat in diesem kurzen Moment wie eine Flüssigkeit. Nachdem die seismische Welle wieder vorüber ist, setzt die Reibung wieder ein, das Granulat verklemmt sich in einer neuen Position und wird wieder fest.
Vergleich mit historischen Ereignissen
Die Forscher verglichen ihre Simulation mit historischen Erdbeben. Damit konnten sie erklären, warum das Landers-Erdbeben, das 1992 in Südkalifornien stattfand, 415 km entfernt ein weiteres seismisches Ereignis auslöste. Auch eine Reihe kleiner Erdbeben, die 2003 in Japan stattfanden, passten zum Versuchsaufbau.
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Inspiration für das Experiment war ein wackeliger Tisch, auf dem der Versuchsaufbau zuerst stand. Jede kleinste Erschütterung durch vorbeigehende Personen oder eine schließende Tür brachte den Aufbau durcheinander. Schließlich wurde das Experiment auf einen Tisch mit Schwingungsisolierung versetzt. Die gewollten Schwingungen lösten die Forscher dann kontrolliert aus, unter anderem mit einem Lautsprecher.
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Besseres Verständnis von Naturkatastrophen
Das Experiment könnte dabei helfen, ein besseres Verständnis für Bodenstabilität und Naturkatastrophen wie Lawinen und Erdbeben zu gewinnen, heißt es in der Studie, die im Fachmagazin Science Advances erschienen ist. Im nächsten Schritt wollen die Forscher den Versuchsaufbau weiter verbessern und dabei verschiedene Stärken und Längen von seismischen Wellen testen. Zudem soll das Granulat Alterungsprozesse und andere Veränderungen in der Struktur besser wiedergeben.