Atmosphärendrucksensoren helfen bei der Bestimmung der Erdbebenstärke

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Sensoren, die Änderungen des Luftdrucks aufgrund von Bodenerschütterungen erkennen, können einer neuen Studie zufolge auch Daten über große Erdbeben und Explosionen erhalten, die die Obergrenze vieler Seismometer überschreiten.

Die Sensoren, die unhörbaren, durch die Luft getragenen Infraschall erkennen, könnten Tsunami-Warnungen und andere Notfallmaßnahmen verbessern und gleichzeitig die Kosten senken.

Untersuchungen von Wissenschaftlern des Geophysical Institute der University of Alaska Fairbanks zeigen, dass Infraschallsensoren die Größenbestimmung verbessern können. Eine erste Tsunami-Warnung basiert ausschließlich auf der geschätzten Stärke und Lage.

Infraschallsensoren kosten weniger als Seismometer, sind zuverlässig und in Alaska in großer Zahl für andere Zwecke vorhanden.

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„Wir haben Infraschall für einen Zweck genutzt, für den er eigentlich nicht gedacht war“, sagte Ken Macpherson vom Wilson Alaska Technical Center des Geophysical Institute. „Wir haben festgestellt, dass es gut funktioniert, um vollständige Daten über starke Erdbeben bereitzustellen.“ "

Diese druckempfindlichen Infraschallinstrumente werden im Allgemeinen für nichtseismische Zwecke verwendet, beispielsweise zur Erkennung von Bergbauexplosionen oder nuklearen Detonationen. Sie erfassen auch Erdrutsche, ausbrechende Vulkane oder Meteore, die in die Erdatmosphäre eindringen.

Macpherson beschreibt den Einsatz von Infraschallsensoren für die Seismologie in einem Forschungsbericht, der am 21. April im Bulletin der Seismological Society of America veröffentlicht wurde.

Macpherson ist ein seismoakustischer Forschungs- und Betriebswissenschaftler. Zu den weiteren an der Forschung beteiligten Mitarbeitern des Wilson Alaska Technical Center gehören der Direktor David Fee, der Datenspezialist Juliann Coffey und der Spezialist für maschinelles Lernen Alex Witsil, der jetzt im privaten Sektor arbeitet.

Infraschallsensoren erfassen Änderungen des Luftdrucks, die durch Infraschallwellen verursacht werden, deren Frequenz unterhalb der für Menschen hörbaren Frequenz liegt.

Infraschallsensoren können den gesamten Bereich der Bodenbewegung eines Erdbebens registrieren, indem sie Luftdruckänderungen erkennen, die durch die Auf- und Abbewegung des Bodens während eines Erdbebens verursacht werden.

Durch die Aufwärtsbewegung des Bodens wird die Luft komprimiert und der Luftdruck erhöht, ähnlich wie bei einem Kolben. Eine Abwärtsbewegung verringert den Druck.

Selbst die Druckänderungen bei den größten Erdbeben liegen weit unter der Obergrenze der Infraschallsensoren.

Im Gegensatz dazu haben Seismometer, die die tatsächliche Bewegung des Bodens aufzeichnen, eine Obergrenze, was bedeutet, dass bei großen Erdbeben möglicherweise keine Top-End-Daten vorliegen. Sie können auch Daten kleinerer Erdbeben verpassen, wenn diese zu nahe an einem Seismometer auftreten.

Seismologen nennen diesen Datenverlust „Clipping“.

„Wenn Sie Ihre Stereoanlage zu hoch aufdrehen, bekommen Sie einen schrecklichen Klang“, sagte Macpherson. „Das bedeutet, dass Sie den Dynamikbereich des Lautsprechers überschritten haben. Das kann einem Seismometer passieren.“

Seismologen können Clipping verhindern, indem sie Detektoren für starke Bewegungen einsetzen, die sich von Infraschallsensoren unterscheiden. Diese Bewegungssensoren werden bei starken Erschütterungen nicht aus dem Maßstab geraten, sind aber teuer und bei kleineren Beben nicht genau. Ungefähr 130 befinden sich rund um Alaska, hauptsächlich in städtischen Gebieten und in der Nähe bekannter Verwerfungen.

Als ein Beispiel verglichen Macpherson und seine Kollegen Infraschalldaten des Anchorage-Erdbebens der Stärke 7,1 vom 30. November 2018 mit Daten eines Seismometers. Beide Instrumente befanden sich am selben Ort, 18,6 Meilen vom Epizentrum entfernt.

„Die Seismometeraufzeichnung dieses Erdbebens ging direkt in den Dynamikbereich des Instruments und stoppte“, sagte Macpherson. „Es gibt also einen Verlust an Amplitudeninformationen.“

Das Seismometer war eines von mehreren in der Region Süd-Zentral-Alaska, denen Spitzendaten dieses Erdbebens fehlten. Die Daten des Infraschallsensors wurden nicht abgeschnitten.

Um die Genauigkeit der Spitzendaten des Infraschallmonitors zu überprüfen, verglich Macpherson sie mit den Daten eines Starkbewegungsseismometers am selben Standort. Sie passten zusammen.

Auch Infraschallsensoren können ebenso zeitnah Daten liefern wie Seismometer. Das ist besonders wichtig, wenn ein Tsunami möglich ist. Das Nationale Tsunami-Warnzentrum hat ab dem Zeitpunkt des Bebens nur vier Minuten Zeit, um eine Warnung auszusprechen.

„Wenn alle Seismometer in der Nähe abschneiden und das Tsunami-Warnzentrum versucht, eine genaue Magnitude zur Warnung vor einem Tsunami zu ermitteln, könnten sie schnell Magnituden von einer nahegelegenen Infraschallstation berechnen, an der sich auch ein Seismometer befindet“, sagte Coffey.

Alaska verfügt im gesamten Bundesstaat über etwa 150 Infraschallsensoren sowie seismische Monitore.

Einige davon waren Teil des EarthScope Transportable Array, einem von der National Science Foundation finanzierten Projekt zur Kartierung der Erdkruste und des oberen Erdmantels. Die temporäre Anlage bewegte sich nach und nach über das ganze Land und erreichte 2014 Alaska. 96 dieser Stationen sind mittlerweile Teil des permanenten Überwachungsnetzwerks des Alaska Earthquake Center.

„Wir haben diese einzigartige Ressource in Alaska und wir treiben die Wissenschaft voran, um das Beste daraus zu machen“, sagte Macpherson. „Wir wollen es auf neuartige Weise nutzen.“

Referenz: Macpherson KA, Fee D, Coffey JR, Witsil AJ. Verwendung von lokalem Infraschall zur Schätzung der seismischen Geschwindigkeit und der Erdbebenstärke. Bull Seismic Soc Am. 2023. doi: 10.1785/0120220237

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