Was haben ein Berg, eine tektonische Verwerfung und ein Sandhaufen im Labor gemeinsam? Mehr als Sie vielleicht denken. Denn wie einige niederländische Physiker gezeigt haben, reicht ein kleiner Stoß aus, um den Boden zu „verflüssigen“ und ein Mini-Erdbeben auszulösen. Ein Phänomen, das im Kleinen perfekt nachbildet, was bei einem Erdbeben in der Erdkruste passiert. Und das könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie wir diese katastrophalen Ereignisse vorhersagen und damit umgehen können. Aber lasst uns der Reihe nach fortfahren.
Ein Berg aus Körnern
Alles beginnt mit einer Intuition von Forschern Kasra Farain e Daniel Bonn der Universität Amsterdam. Ihre Idee ist klar: Reproduzieren Sie im Labor die Bedingungen, die an einem steilen Berghang oder entlang einer tektonischen Verwerfung herrschen, indem Sie eine dünne Schicht winziger Kügelchen mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares verwenden.
Warum Körner anstelle eines schönen Steinblocks verwenden? Denn, wie die Forscher in der Studie erklären dass ich dich hier verlinke, der Boden, den wir betreten, ist alles andere als perfekt fest. Tatsächlich ähnelt es eher einer ungeordneten Masse aus Körnern, seien es Sandkörner oder Steinfragmente. Das Gleiche gilt für tiefe Verwerfungen, an denen tektonische Platten aufeinandertreffen. Kurz gesagt: Um zu verstehen, wie ein Erdbeben ausgelöst wird, ist es besser, beim Fundament zu beginnen: den Körnern.
Tanz auf der Bruchlinie: Erdbeben im Labor
Mithilfe einer Scheibe, die auf die Oberfläche der Körner gedrückt und langsam und mit konstanter Geschwindigkeit rotiert wurde, simulierten die Forscher im Labor die Kräfte, die sich an einem steilen Hang oder entlang einer Verwerfung aufbauen. Dann erzeugten sie durch einen einfachen Aufprall des Balls (im wahrsten Sinne des Wortes) neben dem Versuchsapparat eine kleine seismische Welle. Das Ergebnis? Die Körner begannen zu gleiten und sich neu anzuordnen, genau wie bei einem echten Erdbeben.
Doch die eigentliche Überraschung kam, als die Forscher den „Tanz“ der Körner im Detail analysierten. Tatsächlich verhalten sich diese für einen kurzen Moment eher wie eine Flüssigkeit als wie ein Feststoff, verlieren an Reibung und gleiten übereinander. Erst nach dem Durchgang der seismischen Welle ist die Reibung wieder spürbar und die Körner bleiben wieder stecken, allerdings in einer anderen Konfiguration.
Vom Reagenzglas bis zur Erdkruste
Klar, könnte man einwenden, das ist alles sehr interessant, aber was hat ein kleiner Sandhaufen, der im Labor tanzt, damit zu tun? mit echten Erdbeben? Mehr als du dir vorstellen kannst. Denn wie die Forscher erklären, folgen seismische Phänomene „skaleninvarianten“ Gesetzen. Kurz gesagt: Ganz gleich, ob wir es mit winzigen Körnern oder ganzen kilometerlangen Verwerfungen zu tun haben, die grundlegende Physik ist dieselbe.
Es ist kein Zufall, dass das mathematische Modell, das Farain und Bonn aus ihren Experimenten abgeleitet haben, quantitativ erklären kann wie das Landers-Erdbeben in Kalifornien 1992 ein zweites seismisches Ereignis aus der Ferne, 415 km weiter nördlich, auslöste. Und nicht nur das: Dasselbe Modell beschreibt genau den Anstieg des Flüssigkeitsdrucks, der in der Nankai-Subduktionszone in der Nähe von Japan beobachtet wurde. nach einer Reihe kleinerer Erdbeben im Jahr 2003.
Von den Spuren der Kollegen bis hin zu seismischen Wellen
Die Geschichte dieser Forschung hat auch eine ironische Seite. Tatsächlich befand sich Farains Versuchsapparat zunächst auf einem einfachen Tisch, ohne alle für präzise Messungen erforderlichen hochentwickelten Schwingungsisolationssysteme. Ergebnis? Schon die kleinste Bewegung der Kollegen, vom Gehen bis zum Schließen einer Tür, beeinflusste das Experiment. Ein großes Problem für den armen Farain, der gezwungen ist, um sanfte Schritte und sanfte Abschlüsse zu betteln.
Aber wie wir wissen, verwandeln sich Ärgernisse manchmal in Chancen. Inspiriert davon, wie sich die Bewegungen seiner Kollegen auf seinen Apparat auswirkten, begann Farain, die zugrunde liegende Physik zu untersuchen. Und selbst nachdem er endlich einen schwingungsoptimierten Tisch bekommen hatte, ließ er es sich nicht nehmen, mit einem Lautsprecher ins Labor zurückzukehren, um kontrollierte Geräusche zu erzeugen und deren Wirkung zu untersuchen.
Werden wir dank Mini-Erdbeben im Labor eine vorhersehbarere Erde haben?
Sag mir ja, ich wohne in den Campi Flegrei. Diese Forschung könnte sehr schwerwiegende Auswirkungen auf unser Verständnis von Erdbeben und die Fähigkeit haben, sie vorherzusagen. Wir sind noch weit davon entfernt, mit Sicherheit vorhersagen zu können, wo und wann das nächste „Große Ereignis“ stattfinden wird, aber ein besseres Verständnis, wie selbst eine kleine Störung ein seismisches Ereignis auslösen kann, ist ein grundlegender Schritt in diese Richtung.
Vielleicht werden künftige Generationen eines Tages auf diese Experimente als einen Wendepunkt in unserem Kampf gegen eines der verheerendsten Naturphänomene zurückblicken. Ein bisschen so, wie wir heute Galileis Experimente zum Fall von Körpern oder Newtons Experimente zu den Umlaufbahnen der Planeten betrachten. Denn selbst die revolutionärste Wissenschaft beginnt manchmal mit einem einfachen Sandhaufen. Oder von einem Kollegen, der etwas zu stark mit dem Fuß stampft, wenn er an einem Tisch vorbeigeht.
