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EARTH EXPLAINED · UNTERRICHTSMATERIAL

Der Tag, an dem sich Japan bewegte

Das Tōhoku-Erdbeben und der Tsunami von 2011, von den Platten aus erklärt

Video 9:27Stufe Klassen 6–12 · Einführung in die Geologie an der UniversitätStandards MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1
Sprache Deutsch

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Warum litt eines der am besten vorbereiteten Länder der Erde am 11. März 2011 trotzdem so sehr, obwohl die Warnzeichen seit mehr als tausend Jahren in seiner Geschichte geschrieben und in seinem Boden vergraben waren?

Am 11. März 2011 rutschte die Pazifische Platte am Japangraben um bis zu 50 Meter unter den Norden Japans, bei einem Erdbeben der Magnitude 9,0–9,1, dem stärksten, das je in Japan gemessen wurde. Diese Unterrichtseinheit verfolgt das Ereignis von den Platten aus: die verhakte Subduktionsverwerfung, die jahrhundertelang Spannung speicherte, den Jōgan-Tsunami von 869, dessen Sand noch heute unter der Ebene von Sendai liegt, die ersten Minuten der Warnungen, einen Tsunami, der bis zu etwa 40 Meter hoch auflief und den Pazifik überquerte, die menschlichen und physikalischen Folgen und die Änderungen, die Japan danach vornahm. Sie endet mit dem Nankai-Trog, der Verwerfung, die Japan als Nächstes beobachtet.

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Lernziele Nach dieser Stunde können die Schülerinnen und Schüler:

  1. Die vier Platten benennen, die bei Japan aufeinandertreffen, und erklären, wie die Subduktion der Pazifischen Platte am Japangraben Spannung an einer verhakten Verwerfung speichert und sie in großen Erdbeben freisetzt.
  2. Erklären, wie eine plötzliche Hebung des Meeresbodens einen Tsunami erzeugt und warum ein Tsunami im tiefen Ozean schnell und flach ist, aber langsamer und höher wird, wenn er die Küste erreicht.
  3. Mit historischen Aufzeichnungen und Tsunami-Sandschichten erklären, wie der Jōgan-Tsunami von 869 die Gefahr offenbarte und warum Prognosen, die ein Erdbeben von etwa Magnitude 8 erwarteten, es trotzdem unterschätzten.
  4. Beschreiben, wie die Erdbeben-Frühwarnung und die Tsunami-Warnungen am 11. März 2011 funktionierten, einschließlich der Frage, warum die erste Magnitudenschätzung von 7,9 zu niedrig war und wie Messungen auf dem Meer die Warnungen korrigierten.
  5. Messungen der physikalischen Auswirkungen des Ereignisses interpretieren: Bruchlänge und Versatz, Auflaufhöhe, GPS-Verschiebung und Absenkung der Küste sowie die berechnete Änderung der Tageslänge.
  6. Beurteilen, was Menschen schützte und was versagte, anhand des Tsunami-Steins von Aneyoshi, der Schulübungen in Kamaishi, der überspülten Ufermauern und des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi.
  7. Erklären, wie Japan seine Warnungen und seine Überwachung nach 2011 änderte, und eine Langzeitwahrscheinlichkeit wie die 30-Jahres-Prognose für den Nankai-Trog interpretieren.

Vor dem Ansehen

Wichtige Begriffe ★ Vertiefungsbegriffe für ältere Schülerinnen und Schüler

Tektonische Platte
Ein großes Stück der starren äußeren Schale der Erde, meist etwa 100 km dick, das sich langsam über den heißeren, weicheren Mantel darunter bewegt. Japan liegt dort, wo vier Platten aufeinandertreffen: die Pazifische, die Philippinische, die Nordamerikanische und die Eurasische Platte.
Subduktion
Der Vorgang, bei dem sich eine Platte biegt und unter eine andere sinkt, zurück hinab in den Mantel. Vor dem Nordosten Japans sinkt die Pazifische Platte unter Japan.
Tiefseegraben
Das lange, tiefe Tal im Meeresboden, wo sich eine Platte nach unten unter eine andere biegt. Der Japangraben, wo die Pazifische Platte ihren Abstieg beginnt, ist etwa 8 km tief.
Verhakte Verwerfung
Ein Teil einer Plattengrenze, an dem Reibung die zwei Platten zusammenhält, sodass ihre Bewegung als elastische Spannung im Gestein gespeichert wird, wie bei einer Feder, die gespannt wird, bis die Verwerfung in einem Erdbeben plötzlich nachgibt.
Tsunami
Eine Folge von Meereswellen, die entsteht, wenn eine große Wassermasse plötzlich angestoßen wird, hier durch den Meeresboden, der ruckartig nach oben springt. Die erste Welle ist oft nicht die größte.
Magnitude
Ein Maß für die Stärke eines Erdbebens. Jede ganze Stufe setzt etwa 32-mal mehr Energie frei. Das Erdbeben von 2011 hatte nach der Zählung der Japan Meteorological Agency (der japanischen Wetterbehörde) die Magnitude 9,0 und nach der des U.S. Geological Survey 9,1.
Tsunami-Ablagerung
Eine Sandschicht, die ein Tsunami vom Strand und vom Meeresboden ins Landesinnere getragen und auf Erdboden oder Sumpfschlamm abgelagert hat. Marine Mikrofossilien im Sand zeigen, dass er aus dem Meer stammt.
Auflaufhöhe (Run-up)
Die Höhe über dem Meeresspiegel des höchsten Punktes an Land, den das Wasser erreicht. Sie kann viel größer sein als die Wellenhöhe an der Küstenlinie, besonders am Ende schmaler Buchten mit steilen Hängen.
Erdbeben-Frühwarnung
Ein System, das die ersten, schnelleren seismischen Wellen nahe dem Ursprung eines bereits laufenden Erdbebens erkennt und eine Warnung aussendet, bevor die langsameren, stärkeren Erschütterungen weiter entfernte Orte erreichen. Es warnt Sekunden bis etwa eine Minute im Voraus, nicht Stunden.
Absenkung
Das Absinken der Landoberfläche. 2011 sank die Oshika-Halbinsel innerhalb von Minuten um etwa 1,2 m, sodass Teile der Küste dauerhaft tiefer liegen und dem Meer stärker ausgesetzt sind.
Tsunami-Stein
Ein Steindenkmal an der Küste Japans, das an einen vergangenen Tsunami erinnert und spätere Generationen warnt, wie der Stein in Aneyoshi: Baut eure Häuser nicht unterhalb dieser Stelle.
Tageslänge
Die Zeit, die die Erde für eine Umdrehung braucht, etwa 86.400 Sekunden. Wird Masse näher an die Erdachse verlagert, dreht sich der Planet etwas schneller, so wie eine Eiskunstläuferin, die ihre Arme anzieht.
Megathrust-Erdbeben★
Ein Erdbeben an der flach geneigten Verwerfung zwischen einer abtauchenden Platte und der Platte darüber. Alle Erdbeben der Magnitude 9 und darüber, auch das Tōhoku-Erdbeben von 2011, waren Megathrust-Ereignisse.
Seismisches Moment★
Die physikalische Größe eines Erdbebens: die Steifigkeit des Gesteins × die Fläche der Verwerfung, die sich verschoben hat × der mittlere Versatz. Die Momentmagnitude wird daraus berechnet.
Paläoseismologie★
Die Erforschung von Erdbeben und Tsunamis, die geschahen, bevor es Messinstrumente gab, anhand von Spuren wie begrabenen Sandschichten, plötzlichen Änderungen der Landhöhe und datiertem Pflanzenmaterial.
Auslegungsgrundlage★
Die größte Gefahr, etwa ein Erdbeben, eine Überschwemmung oder ein Tsunami, für die ein Bauwerk ausgelegt ist. In Fukushima Daiichi übertraf der Tsunami sie bei Weitem.

Kapitelübersicht Eine Zeit wählen, um ab dort abzuspielen

0:00Der Moment

Am Freitag, dem 11. März 2011, um 2:46 Uhr nachmittags gab der Meeresboden etwa 70 km vor dem Nordosten Japans nach. Der Boden bebte mehrere Minuten lang, und an vielen Stellen der Küste hatten die Menschen ungefähr eine halbe Stunde, bevor das Meer kam.

0:34Vier Platten

Japan liegt dort, wo die Pazifische, die Philippinische, die Nordamerikanische und die Eurasische Platte aufeinandertreffen. Die Pazifische Platte bewegt sich mit etwa 8 cm pro Jahr auf Japan zu und sinkt am Japangraben ab; wo sich die Platten verhaken, baut sich Spannung auf, bis die Verwerfung nachgibt und der Meeresboden ruckartig nach oben springt. Deshalb erlebt Japan etwa eines von fünf starken Erdbeben der Welt und hat mehr als hundert aktive Vulkane.

2:00Warnungen aus der Vergangenheit

Der Jōgan-Tsunami von 869 überflutete die Ebene von Sendai und ließ etwa 1.000 Menschen ertrinken, und ab etwa 1990 fanden Geologen seinen Sand, mit älteren Schichten darunter, weit im Landesinneren; trotzdem erwarteten die offiziellen Prognosen ein Erdbeben von etwa Magnitude 8, nicht 9. An der Sanriku-Küste töteten Tsunamis 1896 und 1933 etwa 22.000 und 3.000 Menschen, und das Dorf Aneyoshi meißelte eine Warnung in Stein.

3:192:46 Uhr nachmittags

Der Bruch begann etwa 70 km vor der Oshika-Halbinsel in etwa 30 km Tiefe, riss etwa 400 km entlang des Grabens auf und verschob sich um bis zu etwa 50 m. Die Frühwarnung verschaffte Tokio etwa eine Minute; die erste Tsunami-Warnung, drei Minuten nach dem Erdbeben ausgegeben, beruhte auf einer Magnitude von 7,9 und sagte 3 bis 6 m voraus und wurde auf mehr als 10 m angehoben, sobald Sensoren auf dem Meer die echte Welle erfassten.

4:38Die Welle

Warum ein Tsunami den tiefen Ozean mit der Geschwindigkeit eines Düsenflugzeugs durchquert und sich in Küstennähe auftürmt. Das Wasser lief bei Miyako bis zu etwa 40 m hoch auf, überspülte Ufermauern, fegte über den Flughafen Sendai und überflutete mehr als 500 km², während Aneyoshi, oberhalb seines Steins gebaut, verschont blieb. In Fukushima Daiichi überflutete eine etwa 14 m hohe Welle eine Anlage, die für etwa 6 m ausgelegt war, und in drei Reaktoren kam es zur Kernschmelze; der Tsunami erreichte Hawaii nach etwa 7 Stunden, Kalifornien nach etwa 10 und Chile nach etwa einem Tag.

6:16Die Folgen

Mehr als 18.000 Menschen starben oder wurden nie gefunden, die meisten ertranken, und etwa 122.000 Gebäude wurden zerstört; die Weltbank schätzte den Schaden auf bis zu 235 Milliarden Dollar. GPS zeigte, dass sich die Oshika-Halbinsel um 5,3 m verschob und um 1,2 m absank, und eine Berechnung der NASA deutet darauf hin, dass der Tag um etwa 1,8 Millionstel Sekunden kürzer wurde. In Kamaishi führten jahrelange Übungen dazu, dass fast alle der knapp 3.000 Schulkinder der Stadt überlebten.

7:22Was Japan änderte

Seit 2013 sagt die erste Tsunami-Warnung, wenn ein Erdbeben zu stark ist, um schnell gemessen zu werden, dass der Tsunami „gewaltig“ sein wird, statt eine Zahl zu raten. Ein Netz aus 150 kabelverbundenen Meeresbodenstationen überwacht heute den Japan- und den Kurilengraben, und mehr als 400 km neuer Ufermauern, manche höher als 12 m, säumen die Küste.

7:57Immer noch in Bewegung

Japan spürt noch immer etwa 2.000 Erdbeben pro Jahr. 2025 schätzte die Regierung die Wahrscheinlichkeit eines großen Nankai-Trog-Erdbebens innerhalb von 30 Jahren nach einer Methode auf 60–90 % oder mehr und nach einer anderen auf 20–50 %. Die Zusammenfassung: drei Dinge, die man sich merken sollte, und die Lehre des Steins von Aneyoshi.

Häufige Fehlvorstellungen Für die Lehrkraft

FehlvorstellungEin Tsunami ist eine einzige riesige Wasserwand, die draußen auf dem Meer genauso hoch ist wie an der Küste.

Was die Belege zeigenIm tiefen Ozean ist ein Tsunami womöglich kaum einen Meter hoch, obwohl er sich mit etwa 800 km/h bewegt. Er wächst erst, wenn er im flachen Wasser langsamer wird, und er kommt als Folge mehrerer Wellen an. 2011 brachten die ersten kleinen Messwerte an der Küste manche Menschen zu dem Glauben, der Tsunami werde gering ausfallen, und die Japan Meteorological Agency (die japanische Wetterbehörde) änderte deshalb später, wie sie erste Beobachtungen bekannt gibt.

FehlvorstellungDie erste Tsunami-Warnung sagt dir, wie groß die Welle wird; wenn die Prognose niedriger ist als die örtliche Ufermauer, bist du sicher.

Was die Belege zeigenDie erste Prognose von 2011, 3 bis 6 m, beruhte auf einer viel zu niedrigen Magnitudenschätzung von 7,9, und Japans Wetterbehörde kam zu dem Schluss, dass sie manche Evakuierungen verzögert haben könnte. Die sichere Reaktion auf starke, lange Erschütterungen an der Küste ist, sofort auf höher gelegenes Gelände zu gehen, egal welche erste Zahl genannt wird.

FehlvorstellungWissenschaftler konnten nicht wissen, dass ein so großer Tsunami diese Küste treffen könnte.

Was die Belege zeigenDer Jōgan-Tsunami von 869 war in Japans historischen Aufzeichnungen beschrieben, und ab etwa 1990 fanden Geologen seinen Sand und ältere Schichten kilometerweit im Landesinneren der Ebene von Sendai. Die Belege gab es; die offiziellen Prognosen erwarteten trotzdem ein Erdbeben von etwa Magnitude 8, weil die instrumentellen Aufzeichnungen nur kurz zurückreichten und die geologischen Arbeiten erst noch in Gefährdungsbeurteilungen umgesetzt wurden.

FehlvorstellungDie Erdbeben-Frühwarnung sagt Erdbeben voraus, bevor sie geschehen.

Was die Belege zeigenDie Frühwarnung erkennt ein Erdbeben, das bereits begonnen hat, und liefert sich ein Wettrennen mit den langsameren, zerstörerischeren Wellen. Weit vom Ursprung entfernt kann sie Dutzende Sekunden bis etwa eine Minute Vorwarnzeit geben, wie 2011 in Tokio, aber Orte nahe am Bruch können starke Erschütterungen spüren, bevor überhaupt eine Warnung eintrifft.

FehlvorstellungDas Erdbeben von 2011 hat die Erde aus ihrer Achse geworfen und die Tageslänge spürbar verändert.

Was die Belege zeigenNach einer Berechnung der NASA wurde der Tag um etwa 1,8 Millionstel Sekunden kürzer, und die Achse, um die die Masse der Erde ausbalanciert ist, verschob sich um etwa 17 cm; die Achse der Erde im Raum bewegte sich nicht. Die Änderung wurde berechnet, nicht gespürt, und sie ist viel kleiner als die natürlichen Schwankungen der Tageslänge, die durch Winde, Meeresströmungen und den Erdkern verursacht werden.

Diskussionsfragen

  1. Geologen hatten den Sand des Jōgan-Tsunamis in der Ebene von Sendai mehr als zwanzig Jahre vor 2011 gefunden, trotzdem erwarteten die offiziellen Prognosen ein Erdbeben von etwa Magnitude 8. Warum kann es lange dauern, bis neue geologische Belege offizielle Pläne verändern? Wie sollte eine Gesellschaft mit Belegen umgehen, die stark, aber noch nicht sicher sind?
  2. In Aneyoshi hielt ein nach 1933 gemeißelter Stein jedes Haus außerhalb der Reichweite des Tsunamis von 2011. Anderswo wurden Ufermauern, die für frühere Tsunamis gebaut worden waren, überspült. Vergleiche die beiden Arten von Schutz: Was sind die Stärken und Schwächen einer überlieferten Regel und einer technisch geplanten Mauer?
  3. Die Schulkinder von Kamaishi hatten jahrelang eine einzige Regel geübt: Nach einem starken Erdbeben sofort auf höher gelegenes Gelände laufen und auf niemanden warten. Warum könnte eine so einfache Regel mehr Leben retten als das Warten auf eine offizielle Warnung? Fallen dir Situationen ein, in denen sie schwer zu befolgen wäre?
  4. Die erste Tsunami-Warnung 2011 nannte eine Zahl, die sich als viel zu niedrig herausstellte. Seit 2013 sagt die erste Warnung, wenn die Stärke unsicher ist, einfach, dass der Tsunami „gewaltig“ sein wird. Ist eine Warnung ohne Zahl besser oder schlechter als eine genaue, aber möglicherweise falsche Prognose? Begründe deine Antwort.
  5. In Fukushima Daiichi traf eine etwa 14 m hohe Welle auf eine Anlage, die für etwa 6 m ausgelegt war. Wie sollten Ingenieure und Regierungen entscheiden, gegen eine wie große Gefahr ein Kernkraftwerk, ein Krankenhaus oder eine Schule gebaut werden muss, wenn die größten Ereignisse nur alle paar hundert oder tausend Jahre vorkommen?
  6. Für den Nankai-Trog nannte Japans Regierung zwei 30-Jahres-Wahrscheinlichkeiten: 60–90 % oder mehr nach einer Methode und 20–50 % nach einer anderen. Was bedeutet jede Zahl für eine Familie, eine Stadt und eine nationale Regierung? Welche würdest du in öffentlichen Botschaften hervorheben, und warum?

Quiz Antwort wählen; sie wird sofort geprüft

1.Was geschieht dort, wo die Pazifische Platte am Japangraben auf den Norden Japans trifft?

2.Warum erzeugt eine Subduktionsverwerfung plötzliche große Erdbeben, statt die ganze Zeit gleichmäßig zu gleiten?

3.Welche Belege zeigten, dass riesige Tsunamis die Ebene von Sendai lange vor 2011 getroffen hatten?

4.Drei Minuten nach dem Erdbeben sagte die erste Tsunami-Warnung Wellen von 3 bis 6 Metern voraus. Warum war diese Prognose viel zu niedrig?

5.Im tiefen Ozean ist ein Tsunami womöglich kaum einen Meter hoch, bewegt sich aber mit etwa 800 km/h. Was passiert, wenn er flaches Wasser nahe der Küste erreicht?

6.Was führte zur Katastrophe im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi?

7.GPS zeigte, dass sich die Oshika-Halbinsel um etwa 5,3 Meter in Richtung Meer verschob und um etwa 1,2 Meter absank. Was sagt uns das?

8.Fast alle der knapp 3.000 Schulkinder in Kamaishi überlebten den Tsunami. Was machte den größten Unterschied?

9.Was tut die erste Tsunami-Warnung von Japans Wetterbehörde seit 2013, wenn ein Erdbeben zu stark ist, um schnell gemessen zu werden?

10.2025 schätzte Japans Regierung die Wahrscheinlichkeit eines großen Nankai-Trog-Erdbebens innerhalb von 30 Jahren nach einer Methode auf 60–90 % oder mehr und nach einer anderen auf 20–50 %. Welche Deutung ist die beste?

Schriftliche Antwort

1. Erkläre Schritt für Schritt, wie das Erdbeben von 2011 einen Tsunami erzeugte, der die Küste Japans in etwa einer halben Stunde erreichte und den ganzen Pazifik überquerte. Verwende die Begriffe Subduktion, verhakte Verwerfung, Spannung, Hebung des Meeresbodens und flaches Wasser.

Was eine gute Antwort enthält

Die Pazifische Platte bewegt sich mit etwa 8 cm pro Jahr auf Japan zu und taucht am Japangraben ab. Wo sich die Platten berühren, ist die Verwerfung verhakt, sodass der Rand Japans nach unten gezogen und zusammengedrückt wird und sich elastische Spannung aufbaut. 2011 überwand die Spannung die Reibung: Die Verwerfung verschob sich auf einer etwa 400 km langen Zone um bis zu etwa 50 m, der zusammengedrückte Rand schnellte zurück, und der Meeresboden sprang ruckartig nach oben und hob die gesamte Wassersäule darüber an. Die Schwerkraft zog das angehobene Wasser wieder nach unten und sandte Wellen in alle Richtungen aus. Im tiefen Ozean bewegten sie sich mit etwa 800 km/h, waren aber kaum einen Meter hoch; im flachen Wasser nahe der Küste wurden sie langsamer und höher, erreichten nahe Küsten in etwa einer halben Stunde und liefen stellenweise bis zu etwa 40 m hoch auf. Über den offenen Pazifik erreichten sie Hawaii nach etwa 7 Stunden und Chile nach etwa einem Tag.

2. Erkläre am Beispiel des Jōgan-Tsunamis von 869, wie die Geologie eine Gefahr aufdecken kann, die instrumentelle Aufzeichnungen übersehen, und warum das Erdbeben von 2011 trotzdem größer war, als offizielle Prognosen erwarteten.

Was eine gute Antwort enthält

Seismografen zeichnen Erdbeben in Japan erst seit etwa einem Jahrhundert auf, viel kürzer als die Zeit zwischen den größten Ereignissen. Japans historische Aufzeichnungen beschrieben, wie der Tsunami von 869 die Ebene von Sendai überflutete und etwa 1.000 Menschen ertränkte. Ab etwa 1990 fanden Geologen seinen vom Meer herangetragenen Sand kilometerweit im Landesinneren, darunter ältere Sandschichten, was zeigte, dass riesige Tsunamis immer wieder zugeschlagen hatten, im Abstand von Jahrhunderten. Doch die offiziellen Prognosen stützten sich vor allem auf die besser bekannten jüngeren Erdbeben und erwarteten ein Ereignis von etwa Magnitude 8. Die geologischen Arbeiten schätzten noch, wie groß das Jōgan-Erdbeben gewesen war, und ihre volle Lehre, dass ein viel größerer Abschnitt der Verwerfung auf einmal brechen könnte, war noch nicht in die Gefahrenpläne eingeflossen, als das Beben der Magnitude 9 zuschlug.

3. Vergleiche drei in der Folge beschriebene Arten von Schutz: den Stein von Aneyoshi, die Schulübungen in Kamaishi sowie die Ufermauern zusammen mit dem Kraftwerk Fukushima Daiichi. Was schützte die Menschen, was versagte, und warum?

Was eine gute Antwort enthält

Der Stein von Aneyoshi wirkte, weil seine Regel nicht davon abhing, die Größe der nächsten Welle vorherzusagen: Jedes Haus wurde oberhalb von ihm gebaut, und die Welle von 2011 kam etwa 90 m hangabwärts von ihm zum Stehen. Die Übungen in Kamaishi wirkten, weil eine einfache, eingeübte Regel, sofort auf höher gelegenes Gelände laufen und nicht warten, weder von Warnungen noch von Schätzungen abhing; etwa 99,8 % der Schülerinnen und Schüler der Stadt überlebten. Ufermauern, die für frühere Tsunamis gebaut waren, und die Anlage von Fukushima Daiichi, ausgelegt für eine Welle von etwa 6 m, versagten, weil sie auf eine feste Auslegungshöhe gebaut waren, die der Tsunami von 2011 mit etwa 14 m am Kraftwerk übertraf. Die Lehre: Schutzbauten, die nach vergangenen Ereignissen bemessen sind, können überspült werden, während Regeln, die Menschen außer Reichweite bringen, unabhängig von der Größe der Welle wirken; die besten Pläne nutzen beides.

Vertiefung Universität und gymnasiale Oberstufe

Wie schnell überquert ein Tsunami den Pazifik, und warum wächst er?

Die Wellenlänge eines Tsunamis (Hunderte von Kilometern) ist viel größer als die Tiefe des Ozeans, daher verhält er sich wie eine Flachwasserwelle, deren Geschwindigkeit nur von der Tiefe d abhängt: c = √(g·d), mit g = 9,81 m/s². Wenn er in flacheres Wasser gelangt, sorgt die Erhaltung des Energieflusses dafür, dass seine Höhe ungefähr proportional zu 1 ÷ ⁴√d wächst, der umgekehrten vierten Wurzel der Tiefe (Greensches Gesetz), bevor er bricht oder das Land überflutet.

AufgabeBerechne die Geschwindigkeit für eine typische Tiefe von 5.000 m in m/s und km/h. Die Großkreisentfernung vom Epizentrum von 2011 bis Honolulu beträgt etwa 5.960 km: Sage die Laufzeit voraus und vergleiche sie mit den rund sieben Stunden aus der Folge. Schätze dann, wie stark eine 1 m hohe Welle über 4.000 m Wassertiefe anwächst, bis sie 10 m tiefes Wasser erreicht, und wie schnell sie dort ist. Warum kann die Auflaufhöhe an Land, 2011 etwa 40 m, noch weit größer sein?

Ausführliche Lösung

c = √(9,81 × 5.000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h, die Geschwindigkeit aus der Folge. 5.960 km ÷ 800 km/h ≈ 7,5 Stunden, nahe an der beobachteten Ankunft nach etwa sieben Stunden (die echte Welle folgt dem tatsächlichen Meeresboden, der teils tiefer als 5.000 m ist). Anwachsen: ⁴√(4.000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5, die 1-m-Welle wird also etwa 4,5 m hoch und bewegt sich mit √(9,81 × 10) ≈ 10 m/s, also etwa 36 km/h, schneller, als die meisten Menschen laufen können. Die Auflaufhöhe ist die Höhe, die das Wasser an Land hinaufsteigt, nicht die Wellenhöhe vor der Küste: An der Sanriku-Küste bündeln schmale, V-förmige Buchten die Strömung, und das bewegte Wasser trägt seinen Schwung den Hang hinauf, sodass die Auflaufhöhe dort etwa 40 m erreichte.

Magnitude, Energie und Versatz

Die abgestrahlte Energie steigt mit jeder ganzen Magnitudenstufe um einen Faktor von etwa 101.5 ≈ 32. Die Momentmagnitude ist über das seismische Moment M₀ (in Newtonmetern) durch M₀ = 101.5·Mw + 9.1 definiert, und M₀ = μ·A·D, wobei μ die Steifigkeit des Gesteins ist, A die verschobene Fläche und D der mittlere Versatz. Der USGS modelliert den Bruch von 2011 als etwa 400 km lang und 150 km breit, mit einem maximalen Versatz von 50 bis 60 m.

AufgabeWie viel mehr Energie bedeutete die endgültige Magnitude 9,1 (USGS) im Vergleich zur ersten Schätzung von 7,9? Wie viel macht der Unterschied zwischen dem Wert 9,0 der JMA und 9,1 des USGS aus? Berechne mit μ = 4 × 1010 Pa den mittleren Versatz für Mw 9,0 und Mw 9,1 und vergleiche ihn mit dem maximalen Versatz.

Ausführliche Lösung

101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ 63-mal mehr Energie als bei der ersten Schätzung, weshalb die erste Tsunami-Prognose so niedrig ausfiel. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1,4: Die Werte der beiden Behörden unterscheiden sich in der Energie um etwa 40 %, wenig im Vergleich zum ersten Fehler. Für Mw 9,0 ist M₀ = 1022.6 ≈ 4,0 × 1022 N·m, also D = 4,0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1,5 × 105 m) ≈ 17 m; für Mw 9,1 ist M₀ ≈ 5,6 × 1022 N·m und D ≈ 23 m. Der mittlere Versatz von rund 17 bis 23 m ist weniger als die Hälfte des Maximums von 50 bis 60 m, das sich nahe dem Graben konzentrierte, wo es den Meeresboden am stärksten anhob und den größten Tsunami auslöste.

Wie viel Vorwarnzeit kann die Frühwarnung geben?

P-Wellen laufen mit etwa 6 bis 7 km/s durch die Kruste, S-Wellen, die den Großteil der starken Erschütterungen tragen, mit etwa 3,5 bis 4 km/s. Ein Frühwarnsystem erfasst die P-Wellen an Stationen nahe dem Ursprung, schätzt das Erdbeben ab und sendet eine Warnung aus, die sich dann mit der Geschwindigkeit elektronischer Kommunikation verbreitet. Der Bruch von 2011 begann in etwa 30 km Tiefe; Tokio liegt etwa 376 km vom Epizentrum entfernt, die Spitze der Oshika-Halbinsel etwa 76 km.

AufgabeAngenommen, die Warnung geht 30 Sekunden nach Beginn des Bruchs hinaus. Schätze, wie viel Zeit Tokio blieb, bevor die ersten S-Wellen ankamen. Schätze dann den Radius der „blinden Zone“, also des Gebiets, in dem die S-Wellen vor der Warnung eintreffen, und entscheide, ob die Oshika-Halbinsel darin lag. Warum könnten die stärksten Erschütterungen bei einem großen Erdbeben später eintreffen, als diese einfache Rechnung nahelegt?

Ausführliche Lösung

Laufzeit der S-Wellen bis Tokio ≈ 376 km ÷ 3,5 bis 4 km/s ≈ 94 bis 107 s, die Vorwarnzeit beträgt also etwa 64 bis 77 s, ungefähr eine Minute, wie in der Folge. In 30 s legen die S-Wellen vom Hypozentrum aus etwa 105 bis 120 km zurück; bei 30 km Tiefe erreicht das die Oberfläche bis zu √(105² − 30²) ≈ 100 km bis √(120² − 30²) ≈ 116 km vom Epizentrum. Die Oshika-Halbinsel, etwa 82 km vom Hypozentrum entfernt, spürte die S-Wellen schon nach nur etwa 20 bis 23 s, also vor einer solchen Warnung. Bei einem großen Erdbeben wächst der Bruch selbst minutenlang weiter und sendet starke Wellen von Teilen der Verwerfung aus, die später brechen und näher an weit entfernten Städten liegen; echte Vorwarnzeiten hängen daher vom gesamten Bruch ab, nicht nur von seinem Ausgangspunkt.

Das Spannungsbudget und die Wiederkehr von Tsunamis vom Jōgan-Typ

Die Pazifische Platte bewegt sich mit etwa 83 mm pro Jahr auf den Norden Japans zu (USGS). Minoura und Kollegen (2001) fanden in der Ebene von Sendai drei Tsunami-Sandschichten und schätzten, dass die größten Tsunamis etwa alle 1.000 Jahre auftraten; Sawai und Kollegen (2012) schlugen anhand von Radiokarbonaltern von vielen Fundorten Intervalle von 500 bis 800 Jahren vor. Ein einfacher Weg, ein Wiederkehrintervall T in eine Wahrscheinlichkeit umzurechnen, ist die Annahme, dass Ereignisse zufällig eintreten: P = 1 − exp(−t/T) für einen Zeitraum von t Jahren.

AufgabeWie vielen Jahren Plattenkonvergenz entspricht ein Versatz von 50 m? Und ein mittlerer Versatz von etwa 20 m? Wie viel Konvergenz sammelte sich zwischen 869 und 2011 an? Berechne dann die Wahrscheinlichkeit eines Tsunamis vom Jōgan-Typ innerhalb von 30 Jahren und innerhalb von 50 Jahren für T = 1.000 Jahre und T = 500 Jahre. Was sagen diese Zahlen über die Auslegung von Kraftwerken oder Küstenorten für ein Ereignis „einmal in tausend Jahren“ aus?

Ausführliche Lösung

50 m ÷ 0,083 m/Jahr ≈ 600 Jahre; 20 m ÷ 0,083 m/Jahr ≈ 240 Jahre. Von 869 bis 2011 (1.142 Jahre) sammelten sich etwa 95 m Konvergenz an, mehr als der Versatz von 2011, also wird nicht die gesamte Konvergenz als Spannung im verhakten Bereich gespeichert: Ein Teil wird durch langsames, stilles Gleiten und durch die vielen kleineren Erdbeben an dieser Plattengrenze abgebaut. Ozawa und Kollegen (2011) weisen auf die andere Seite des Budgets hin: Vor 2011 zeigte GPS, dass sich vor Tōhoku Spannung viel schneller aufbaute, als frühere Erdbeben an der Plattengrenze sie im Durchschnitt abgebaut hatten, was die Frage aufwarf, wie diese Spannung schließlich freigesetzt würde. Wahrscheinlichkeiten: für T = 1.000 Jahre 1 − exp(−0,03) ≈ 3 % in 30 Jahren und 1 − exp(−0,05) ≈ 5 % in 50 Jahren; für T = 500 Jahre etwa 6 % und 10 %. Einige Prozent über die Lebensdauer eines Kraftwerks oder einer Stadt sind alles andere als vernachlässigbar, wenn die Folgen katastrophal sind; deshalb müssen seltene Ereignisse Teil der Auslegung sein und dürfen nicht aus ihr herausfallen.

Hat das Erdbeben wirklich die Tageslänge verändert?

Ohne äußeres Drehmoment bleibt der Drehimpuls der Erde L = I·ω erhalten, wobei I das Trägheitsmoment und ω die Drehgeschwindigkeit ist. Wenn ein Erdbeben Masse etwas näher an die Achse verlagert, nimmt I ab, ω nimmt zu, und der Tag T = 2π/ω wird kürzer: ΔT/T = ΔI/I. Richard Gross von der NASA berechnete, dass das Erdbeben von 2011 den Tag um etwa 1,8 Mikrosekunden verkürzte. Langfristig verlängert die Gezeitenreibung durch den Mond den Tag; Messungen anhand antiker Finsternisse zeigen eine durchschnittliche Zunahme von etwa 1,8 Millisekunden pro Jahrhundert (Stephenson und Kollegen, 2016).

AufgabeBerechne die relative Änderung des Trägheitsmoments der Erde, die ein um 1,8 µs kürzerer Tag bedeutet. Wie viele Tage des langfristigen Verlängerungstrends würden sie ausgleichen? Wenn die Änderung dauerhaft wäre, um wie viel würde eine Uhr, die auf der Erdrotation beruht, in einem Jahr gegenüber einer Atomuhr vorgehen?

Ausführliche Lösung

ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10−6 s ÷ 86.400 s ≈ −2,1 × 10−11. Der Trend von 1,8 ms pro Jahrhundert entspricht 1,8 × 10−3 s ÷ 36.525 Tage ≈ 4,9 × 10−8 s pro Tag und Tag, er würde die Änderung also in etwa 1,8 × 10−6 ÷ 4,9 × 10−8 ≈ 37 Tagen ausgleichen. In einem Jahr: 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. Der Effekt ist echt, aber winzig, viel kleiner als die natürlichen Schwankungen der Tageslänge durch Winde, Meeresströmungen und den Erdkern; deshalb wurde er berechnet und nicht gemessen.

Bezug zu Bildungsstandards

Next Generation Science Standards (NGSS, USA)

MS-ESS2-2

Eine evidenzbasierte Erklärung dafür entwickeln, wie geowissenschaftliche Prozesse die Erdoberfläche auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen verändert haben.

In dieser Folge: Langsame Plattenkonvergenz von etwa 8 cm pro Jahr gegenüber Minuten des Versatzes, Hebung des Meeresbodens und Absenkung der Küste.

MS-ESS3-2

Daten zu Naturgefahren analysieren und interpretieren, um künftige katastrophale Ereignisse vorherzusagen und die Entwicklung von Technologien zur Minderung ihrer Folgen zu unterstützen.

In dieser Folge: Tsunami-Sandschichten und Wiederkehr, Frühwarnung, Tsunami-Warnungen, Kabel am Meeresboden, Ufermauern und die Prognose für den Nankai-Trog.

HS-ESS2-1

Ein Modell entwickeln, das veranschaulicht, wie innere Prozesse und Oberflächenprozesse der Erde auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen wirken und Strukturen der Kontinente und des Ozeanbodens formen.

In dieser Folge: Das Modell der Subduktionszone: Graben, verhakte Verwerfung, Aufbau von Spannung und elastisches Zurückfedern der oberen Platte.

HS-ESS3-1

Eine evidenzbasierte Erklärung dafür entwickeln, wie die Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen, das Auftreten von Naturgefahren und Klimaveränderungen menschliche Aktivitäten beeinflusst haben.

In dieser Folge: Der Stein von Aneyoshi, die Übungen in Kamaishi, der Wiederaufbau der Küste und neue Ufermauern sowie Standortwahl und Auslegung von Fukushima Daiichi.

HS-PS4-1

Mathematische Darstellungen nutzen, um eine Aussage über die Zusammenhänge zwischen Frequenz, Wellenlänge und Geschwindigkeit von Wellen in verschiedenen Medien zu stützen.

In dieser Folge: Die Tsunami-Geschwindigkeit c = √(g·d) in Wasser unterschiedlicher Tiefe und warum die Welle langsamer, kürzer und höher wird, wenn sie die Küste erreicht.

Advanced Placement (AP, USA)

Universitätskurse

Physische Geologie

Plattengrenzen und Mikroplatten rund um Japan; Subduktionszonen und Tiefseegräben; der Erdbebenzyklus und elastisches Zurückfedern

Naturgefahren

Megathrust-Erdbeben; Entstehung, Ausbreitung, Aufsteilung im Flachwasser und Auflaufen von Tsunamis; Paläoseismologie und Tsunami-Ablagerungen; Wiederkehr und Langzeitwahrscheinlichkeit; Warnsysteme und Evakuierung

Geophysik

Seismisches Moment und Momentmagnitude; Magnitudensättigung; Erdbeben-Frühwarnung; GPS-Geodäsie und koseismische Verschiebung; Erdbeben und die Erdrotation

Katastrophenrisikomanagement

Auslegungsgrundlage und seltene Ereignisse im Ingenieurwesen; Risikokommunikation und Formulierung von Warnungen; Übungen in der Gemeinschaft und Erinnerung an vergangene Katastrophen

Transkript Der Sprechertext auf Deutsch, wie in den Untertiteln

0:00Der Moment

Am 11. März 2011, um 2:46 Uhr an einem Freitagnachmittag, gab der Meeresboden 70 Kilometer vor dem Nordosten Japans plötzlich nach.

0:10Der Boden bebte mehrere Minuten lang, und an vielen Orten entlang der Küste blieb den Menschen etwa eine halbe Stunde, bis das Meer kam.

0:18Dies ist die Geschichte des stärksten Erdbebens, das je in Japan gemessen wurde. Wir sehen uns an, warum es geschah, warum die Warnungen davor bereits 1.000 Jahre alt waren und was Japan danach änderte.

0:34Vier Platten

Um diesen Tag zu verstehen, müssen wir unter der Erde beginnen, denn Japan liegt dort, wo vier der tektonischen Platten der Erde aufeinandertreffen.

0:41Diese vier sind die Pazifische Platte, die Philippinische Platte, die Nordamerikanische Platte und die Eurasische Platte. Jede von ihnen ist eine Gesteinsplatte von rund 100 Kilometern Dicke, die langsam über den Planeten driftet.

0:54Keine von ihnen kommt je zum Stillstand. Die Pazifische Platte kriecht mit etwa 8 Zentimetern pro Jahr auf Japan zu, ungefähr zweimal so schnell, wie Ihre Fingernägel wachsen.

1:05Vor der Nordostküste trifft die Pazifische Platte am Japangraben, einer etwa 8 Kilometer tiefen Furche im Meeresboden, auf den Norden Japans.

1:14Am Graben biegt sich die Pazifische Platte und taucht unter Japan ab, wobei sie langsam in den heißen Mantel darunter sinkt.

1:22Sie gleitet dabei jedoch nicht gleichmäßig. Wo sich die zwei Platten berühren, verhaken sie sich, sodass der Rand Japans Jahr für Jahr nach unten gezogen und zusammengedrückt wird, wie eine Feder, die immer fester gespannt wird.

1:34Schließlich überwindet die Spannung die Reibung. Innerhalb weniger Minuten verrutscht die Verwerfung, der zusammengedrückte Plattenrand schnellt zurück, und der Meeresboden ruckt nach oben und hebt den gesamten Ozean darüber an.

1:47Dieser Vorgang erklärt, warum Japan etwa eines von fünf starken Erdbeben der Welt erlebt und warum das Land mehr als 100 aktive Vulkane hat.

2:00Warnungen aus der Vergangenheit

Japan besitzt schriftliche Aufzeichnungen über Erdbeben, die mehr als 1.000 Jahre zurückreichen, und eine davon beschreibt eine Nacht im Jahr 869.

2:09In jener Nacht ereignete sich ein großes Erdbeben in der Nähe der heutigen Stadt Sendai, und das Meer drang weit über die Küstenebene ins Landesinnere vor. Etwa 1.000 Menschen ertranken.

2:19Ab etwa 1990 fanden Geologen bei Grabungen in derselben Ebene die Visitenkarte des Tsunamis. Es war eine Schicht aus Meeressand, kilometerweit von der Küste entfernt, darunter ältere Sandschichten, die von noch früheren Riesenwellen hinterlassen worden waren.

2:35Die Funde zeigten, dass riesige Tsunamis diese Küste immer wieder getroffen hatten, im Abstand von Jahrhunderten. Offizielle Prognosen rechneten hier durchaus mit einem großen Erdbeben, allerdings mit einem von etwa Magnitude 8, nicht neun.

2:49Weiter nördlich, an der zerklüfteten Sanriku-Küste, waren die Erinnerungen jünger. 1896 lief dort ein Tsunami bis zu 38 Meter hoch auf und tötete etwa 22.000 Menschen.

3:021933 tötete ein weiterer Tsunami noch einmal etwa 3.000 Menschen. Danach meißelten die Bewohner eines kleinen Dorfes namens Aneyoshi eine Warnung in Stein.

3:12Die Inschrift lautet: Bauen Sie Ihre Häuser nicht unterhalb dieser Stelle.

3:192:46 Uhr nachmittags

Am 11. März 2011, um 2:46 Uhr nachmittags, gab die Verwerfung schließlich nach. Der Bruch begann etwa 70 Kilometer vor der Oshika-Halbinsel, in rund 30 Kilometern Tiefe.

3:32Von dort riss er auf rund 400 Kilometern Länge entlang des Grabens auf, und stellenweise verschoben sich die zwei Platten um bis zu 50 Meter gegeneinander.

3:41Japans Erdbeben-Frühwarnsystem erfüllte seine Hauptaufgabe. Seine Sensoren erfassten die ersten, schnelleren Wellen, und Warnungen wurden ausgegeben, bevor die stärksten Erschütterungen eintrafen.

3:53In Tokio, etwa 370 Kilometer entfernt, kam die Warnung etwa eine Minute im Voraus an, auch wenn sie die Erschütterungen dort stark unterschätzte.

4:02Japans Wetterbehörde gab drei Minuten nach dem Erdbeben ihre höchste Tsunami-Warnstufe aus. Die erste Schätzung der Stärke des Erdbebens war jedoch mit Magnitude 7,9 viel zu niedrig, sodass auch die ersten Wellenprognosen mit 3 bis 6 Metern zu niedrig waren.

4:21Dann erfassten Sensoren draußen auf dem Meer die tatsächliche Welle, und die Warnungen wurden auf mehr als 10 Meter angehoben. Die endgültige Magnitude lag nach der Zählung Japans bei 9 und laut U.S. Geological Survey bei 9,1.

4:38Die Welle

Im tiefen Ozean bewegt sich ein Tsunami etwa so schnell wie ein Düsenflugzeug, mit rund 800 Kilometern pro Stunde, auch wenn er womöglich kaum einen Meter hoch ist.

4:50Wenn das Wasser zur Küste hin flacher wird, verlangsamt sich die Welle, und weil das Wasser hinter ihr weiter nachströmt, kann sie nur noch nach oben ausweichen.

4:59Dieser Tsunami breitete sich in alle Richtungen über den gesamten Pazifik aus.

5:04Bei Miyako lief das Wasser an einem Hang bis auf 40 Meter über dem Meeresspiegel hinauf, und Ufermauern, die für frühere Tsunamis gebaut worden waren, wurden einfach überspült.

5:14Schiffe wurden weit ins Landesinnere getragen. Diese Fähre in Miyako blieb gestrandet zwischen den Häusern liegen.

5:21In der Ebene von Sendai, auf demselben Boden, der schon 869 überflutet worden war, überspülte das Meer den Flughafen Sendai und drang noch kilometerweit ins Landesinnere vor.

5:30Insgesamt standen mehr als 500 Quadratkilometer Japans unter Wasser, und ganze Fischerorte entlang der Küste wurden zerstört.

5:39In Aneyoshi kam die Welle etwa 90 Meter hangabwärts vom alten Stein zum Stehen. Jedes Haus im Dorf war oberhalb davon gebaut worden, und jedes einzelne blieb verschont.

5:49Im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi überflutete eine etwa 14 Meter hohe Welle eine Anlage, die für etwa sechs Meter ausgelegt war. Das Kraftwerk verlor den Strom, in drei Reaktoren kam es zur Kernschmelze, und es wurde zum schwersten Atomunfall seit Tschernobyl.

6:04Unterdessen breitete sich der Tsunami weiter aus. Er erreichte Hawaii etwa sieben Stunden später und Kalifornien nach etwa zehn, zerstörte Boote in ihren Häfen, und etwa einen Tag nach dem Erdbeben erreichte er Chile.

6:16Die Folgen

Mehr als 18.000 Menschen starben oder wurden nie gefunden, die meisten von ihnen ertranken, und mehr als 120.000 Gebäude wurden zerstört.

6:25Die Weltbank schätzte den Schaden auf bis zu 235 Milliarden Dollar, was es damals zur teuersten jemals verzeichneten Naturkatastrophe machte.

6:36Das Erdbeben veränderte sogar das Land selbst. Die Oshika-Halbinsel verschob sich um mehr als 5 Meter in Richtung Meer und sank um mehr als einen Meter ab.

6:46Außerdem verlagerte es so viel Masse der Erde, dass sich der Planet nach einer Berechnung der NASA nun ganz leicht schneller dreht. Jeder Tag wurde um etwa 1,8 Millionstel Sekunden kürzer, viel zu wenig, als dass es jemand bemerken könnte.

7:01Es gibt auch Geschichten vom Überleben. In der Stadt Kamaishi hatten Schulkinder jahrelang eine einfache Regel geübt: Nach einem starken Erdbeben sofort auf höher gelegenes Gelände laufen und auf niemanden warten.

7:14Fast alle der knapp 3.000 Schülerinnen und Schüler der Stadt überlebten.

7:22Was Japan änderte

Japan baute seine Tsunami-Warnungen neu auf. Wenn ein Erdbeben heute zu stark ist, um es schnell zu messen, nennt die erste Warnung keine geschätzte Zahl mehr. Sie sagt den Menschen einfach, dass der Tsunami gewaltig sein wird.

7:35Entlang des Japan- und des Kurilengrabens lauschen heute 150 Meeresbodenstationen auf Erdbeben und Tsunamis, verbunden mit dem Land durch etwa 5.500 Kilometer Kabel.

7:47Mehr als 400 Kilometer neuer Ufermauern säumen heute die Küste, und einige von ihnen sind höher als 12 Meter.

7:57Immer noch in Bewegung

Die Platten haben nicht aufgehört, sich zu bewegen. In einem typischen Jahr spürt Japan etwa 2.000 Erdbeben, also fünf bis sechs pro Tag. Die meisten sind so schwach, dass nur Menschen, die still in Innenräumen sitzen, sie bemerken, doch jedes einzelne ist ein Zeichen derselben Platten, die sich weiter bewegen.

8:13Wissenschaftler beobachten außerdem eine andere Verwerfung, den Nankai-Trog vor dem Südwesten Japans. 2025 schätzte die Regierung Japans die Wahrscheinlichkeit eines großen Erdbebens dort innerhalb von 30 Jahren ab. Nach einer Methode liegt sie bei 60 bis 90 Prozent oder mehr, nach einer anderen bei 20 bis 50 Prozent.

8:32Merken Sie sich also drei Dinge. Erstens entstand das Erdbeben von 2011, als die Pazifische Platte am Japangraben um bis zu 50 Meter unter den Norden Japans rutschte. Damit war es ein Beben der Magnitude 9, das stärkste, das je in Japan gemessen wurde. Zweitens richtete der Tsunami den größten Schaden an: Er lief bis zu 40 Meter hoch auf, und mehr als 18.000 Menschen starben oder wurden nie gefunden. Und drittens gab es die Warnungen bereits, in der Flut von 869 und in Steinen wie dem in Aneyoshi.

9:05Der Stein in Aneyoshi steht noch immer, und seine Botschaft ist die Lehre dieser ganzen Geschichte. Die Erde führt ihren eigenen Kalender, und sie erinnert sich an das, was wir vergessen. Danke fürs Zuschauen bei Earth Explained. Abonnieren Sie für die nächste Geschichte, und sehen Sie den Planeten live, rund um die Uhr, auf EarthWatch 24-7.

Quellen

  1. U.S. Geological Survey. M 9.1 – 2011 Great Tohoku Earthquake, Japan. Earthquake Hazards Program event page, with tectonic summary. earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20110311054624120_30/executiveVerwendet für: Magnitude 9,1, Ort und Tiefe, Plattenbewegung von 83 mm pro Jahr, Bruchgröße und Versatz
  2. Japan Meteorological Agency. (2013). Lessons learned from the tsunami disaster caused by the 2011 Great East Japan Earthquake and improvements in JMA's tsunami warning system. www.data.jma.go.jp/eqev/data/en/tsunami/LessonsLearned_Improvements_brochure.pdfVerwendet für: Die erste Warnung um 14:49 Uhr (M7,9, 3 bis 6 m), die Anhebungen auf mehr als 10 m, die endgültige Magnitude 9,0 und die „gewaltig“-Warnungen von 2013
  3. National Police Agency of Japan. (2021). Police countermeasures and damage situation associated with 2011 Tohoku district – off the Pacific Ocean Earthquake (March 10, 2021). www.npa.go.jp/news/other/earthquake2011/pdf/higaijokyo_e.pdfVerwendet für: Tote, Vermisste und zerstörte Gebäude
  4. Ozawa, S., Nishimura, T., Suito, H., Kobayashi, T., Tobita, M., & Imakiire, T. (2011). Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake. Nature, 475, 373–376. doi.org/10.1038/nature10227Verwendet für: GPS-Messungen (GEONET), wie weit sich das Land bewegte, und der Versatz an der Verwerfung auf etwa 400 km entlang des Grabens
  5. The 2011 Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group. 現地調査結果 (Field survey results). In Japanese. coastal.jp/ttjt/index.php?%E7%8F%BE%E5%9C%B0%E8%AA%BF%E6%9F%BB%E7%B5%90%E6%9E%9CVerwendet für: Tsunami-Höhen und Auflaufhöhe von etwa 40 m
  6. Minoura, K., Imamura, F., Sugawara, D., Kono, Y., & Iwashita, T. (2001). The 869 Jōgan tsunami deposit and recurrence interval of large-scale tsunami on the Pacific coast of northeast Japan. Journal of Natural Disaster Science, 23(2), 83–88. www.jsnds.org/jnds/23_2_3.pdfVerwendet für: Der Jōgan-Tsunami, sein Sand etwa 3 bis 4 km landeinwärts, etwa 1.000 Tote und eine Wiederkehr von etwa 1.000 Jahren
  7. Sawai, Y., Namegaya, Y., Okamura, Y., Satake, K., & Shishikura, M. (2012). Challenges of anticipating the 2011 Tohoku earthquake and tsunami using coastal geology. Geophysical Research Letters, 39, L21309. doi.org/10.1029/2012GL053692Verwendet für: Jōgan-Ablagerungen entlang der Küste, ihre Wiederkehr und warum die Belege keine Magnitude 9 vorhersahen
  8. Fackler, M. (2011, April 20). Tsunami warnings, written in stone. The New York Times (reprinted by NBC News). www.nbcnews.com/id/wbna42688590Verwendet für: Der Stein von Aneyoshi und wo die Welle von 2011 zum Stehen kam
  9. International Atomic Energy Agency. (2015). The Fukushima Daiichi Accident: Report by the Director General. IAEA, Vienna. www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1710-ReportByTheDG-Web.pdfVerwendet für: Die 14 bis 15 m hohe Welle, die Auslegungsannahmen des Kraftwerks und der Verlust von Strom und Kühlung
  10. NASA Jet Propulsion Laboratory. (2011, March 14). Japan quake may have shortened Earth days, moved axis. News release (Richard Gross), as reprinted by Geology.com. geology.com/nasa/japan-earthquakeVerwendet für: Die Änderung der Tageslänge um 1,8 Mikrosekunden und die Verschiebung der Figurenachse um 17 cm
  11. Stephenson, F. R., Morrison, L. V., & Hohenkerk, C. Y. (2016). Measurement of the Earth's rotation: 720 BC to AD 2015. Proceedings of the Royal Society A, 472, 20160404. doi.org/10.1098/rspa.2016.0404Verwendet für: Die langfristige Verlängerung des Tages, etwa 1,8 ms pro Jahrhundert
  12. Japan Science and Technology Agency. Educational activities for disaster prevention backed by scientific evidence behind a 'miracle' (Toshitaka Katada, Kamaishi). www.jst.go.jp/EN/achievements/research/toshitaka_katada2016.htmlVerwendet für: Kamaishi: 99,8 % von etwa 3.000 Schülerinnen und Schülern überlebten
  13. Cabinet Office, Government of Japan. (2013). 平成25年版 防災白書 (White Paper on Disaster Management 2013), Part 1, Introduction. In Japanese. www.bousai.go.jp/kaigirep/hakusho/h25/honbun/1b_0s_01_00.htmVerwendet für: Etwa 20 % der Erdbeben der Welt mit Magnitude 6 und mehr ereignen sich rund um Japan
  14. Headquarters for Earthquake Research Promotion, Earthquake Research Committee. (2025). 南海トラフの地震活動の長期評価（第二版一部改訂） (Long-term evaluation of the Nankai Trough, second edition, partial revision). In Japanese. jishin.go.jp/evaluation/long_term_evaluation/subduction_fault/summary_nankaiVerwendet für: Die 30-Jahres-Wahrscheinlichkeiten von 60–90 % oder mehr und 20–50 %

Bilder in der Folge: USGS, NOAA und NASA (gemeinfrei), mit Karten von NASA/USGS Landsat über NASA GIBS; Animationen von EarthWatch 24-7. Vollständige Bildnachweise: earthwatch247.com/credits.html.

Diese Lektion zitieren

EarthWatch 24-7. (2026). Der Tag, an dem sich Japan bewegte: Das Tōhoku-Erdbeben und der Tsunami von 2011, von den Platten aus erklärt [Videolektion]. Earth Explained, Folge 1. https://earthwatch247.com/learn/japan-2011/de/

Lösungen

  1. C. Das ist Subduktion: Die Pazifische Platte, die sich mit etwa 8 cm pro Jahr auf Japan zubewegt, biegt sich am Japangraben nach unten und sinkt unter Japan.
  2. A. Die Platten bewegen sich weiter aufeinander zu, aber der verhakte Kontakt zieht den Rand Japans mit und drückt ihn zusammen wie eine Feder, die gespannt wird. Wenn die Spannung die Reibung überwindet, gibt die Verwerfung nach und der zusammengedrückte Rand schnellt zurück.
  3. D. Japans historische Aufzeichnungen beschreiben den Tsunami von 869, und Geologen, die ab etwa 1990 gruben, fanden seinen Sand weit im Landesinneren, darunter ältere Sandschichten von noch früheren Riesenwellen.
  4. B. Die schnelle Magnitudenmethode unterschätzt sehr große Erdbeben, daher lag die erste Schätzung bei 7,9 statt bei 9,0. Sobald Sensoren auf dem Meer die echte Welle erfassten, wurden die Warnungen auf mehr als 10 Meter angehoben.
  5. A. Die Geschwindigkeit eines Tsunamis hängt von der Wassertiefe ab. Wenn die Front im flachen Wasser langsamer wird, holt das nachfolgende Wasser auf und kann nur nach oben ausweichen.
  6. C. Die Flut legte die Stromversorgung des Kraftwerks lahm, ein vollständiger Stromausfall (Station Blackout), sodass die Reaktoren nicht gekühlt werden konnten. Es wurde der schwerste Atomunfall seit Tschernobyl.
  7. B. Die verhakte Verwerfung hatte die Küste landeinwärts und nach unten gezogen; als sie nachgab, federte die obere Platte zum Graben hin zurück, und die Küste nahe dem Bruch sank ab.
  8. D. Die Regel war einfach und wurde jahrelang geübt: Nach einem starken Erdbeben sofort auf höher gelegenes Gelände laufen und nicht warten. Etwa 99,8 % der Schülerinnen und Schüler der Stadt überlebten.
  9. C. Japan änderte seine Warnungen, damit eine zu niedrige erste Zahl die Menschen nicht mehr glauben lassen kann, sie seien sicher. Zahlen werden ergänzt, sobald die Stärke des Erdbebens bekannt ist.
  10. A. Eine Wahrscheinlichkeit ist weder ein Datum noch eine Gewissheit. Beide Werte sind für einen Zeitraum von 30 Jahren hoch, und die Regierung bittet die Menschen und die örtlichen Behörden, sich mit Blick auf den höheren Wert vorzubereiten.

Schriftliche Antwort

  1. Die Pazifische Platte bewegt sich mit etwa 8 cm pro Jahr auf Japan zu und taucht am Japangraben ab. Wo sich die Platten berühren, ist die Verwerfung verhakt, sodass der Rand Japans nach unten gezogen und zusammengedrückt wird und sich elastische Spannung aufbaut. 2011 überwand die Spannung die Reibung: Die Verwerfung verschob sich auf einer etwa 400 km langen Zone um bis zu etwa 50 m, der zusammengedrückte Rand schnellte zurück, und der Meeresboden sprang ruckartig nach oben und hob die gesamte Wassersäule darüber an. Die Schwerkraft zog das angehobene Wasser wieder nach unten und sandte Wellen in alle Richtungen aus. Im tiefen Ozean bewegten sie sich mit etwa 800 km/h, waren aber kaum einen Meter hoch; im flachen Wasser nahe der Küste wurden sie langsamer und höher, erreichten nahe Küsten in etwa einer halben Stunde und liefen stellenweise bis zu etwa 40 m hoch auf. Über den offenen Pazifik erreichten sie Hawaii nach etwa 7 Stunden und Chile nach etwa einem Tag.
  2. Seismografen zeichnen Erdbeben in Japan erst seit etwa einem Jahrhundert auf, viel kürzer als die Zeit zwischen den größten Ereignissen. Japans historische Aufzeichnungen beschrieben, wie der Tsunami von 869 die Ebene von Sendai überflutete und etwa 1.000 Menschen ertränkte. Ab etwa 1990 fanden Geologen seinen vom Meer herangetragenen Sand kilometerweit im Landesinneren, darunter ältere Sandschichten, was zeigte, dass riesige Tsunamis immer wieder zugeschlagen hatten, im Abstand von Jahrhunderten. Doch die offiziellen Prognosen stützten sich vor allem auf die besser bekannten jüngeren Erdbeben und erwarteten ein Ereignis von etwa Magnitude 8. Die geologischen Arbeiten schätzten noch, wie groß das Jōgan-Erdbeben gewesen war, und ihre volle Lehre, dass ein viel größerer Abschnitt der Verwerfung auf einmal brechen könnte, war noch nicht in die Gefahrenpläne eingeflossen, als das Beben der Magnitude 9 zuschlug.
  3. Der Stein von Aneyoshi wirkte, weil seine Regel nicht davon abhing, die Größe der nächsten Welle vorherzusagen: Jedes Haus wurde oberhalb von ihm gebaut, und die Welle von 2011 kam etwa 90 m hangabwärts von ihm zum Stehen. Die Übungen in Kamaishi wirkten, weil eine einfache, eingeübte Regel, sofort auf höher gelegenes Gelände laufen und nicht warten, weder von Warnungen noch von Schätzungen abhing; etwa 99,8 % der Schülerinnen und Schüler der Stadt überlebten. Ufermauern, die für frühere Tsunamis gebaut waren, und die Anlage von Fukushima Daiichi, ausgelegt für eine Welle von etwa 6 m, versagten, weil sie auf eine feste Auslegungshöhe gebaut waren, die der Tsunami von 2011 mit etwa 14 m am Kraftwerk übertraf. Die Lehre: Schutzbauten, die nach vergangenen Ereignissen bemessen sind, können überspült werden, während Regeln, die Menschen außer Reichweite bringen, unabhängig von der Größe der Welle wirken; die besten Pläne nutzen beides.

Vertiefung

  1. Wie schnell überquert ein Tsunami den Pazifik, und warum wächst er?: c = √(9,81 × 5.000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h, die Geschwindigkeit aus der Folge. 5.960 km ÷ 800 km/h ≈ 7,5 Stunden, nahe an der beobachteten Ankunft nach etwa sieben Stunden (die echte Welle folgt dem tatsächlichen Meeresboden, der teils tiefer als 5.000 m ist). Anwachsen: ⁴√(4.000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5, die 1-m-Welle wird also etwa 4,5 m hoch und bewegt sich mit √(9,81 × 10) ≈ 10 m/s, also etwa 36 km/h, schneller, als die meisten Menschen laufen können. Die Auflaufhöhe ist die Höhe, die das Wasser an Land hinaufsteigt, nicht die Wellenhöhe vor der Küste: An der Sanriku-Küste bündeln schmale, V-förmige Buchten die Strömung, und das bewegte Wasser trägt seinen Schwung den Hang hinauf, sodass die Auflaufhöhe dort etwa 40 m erreichte.
  2. Magnitude, Energie und Versatz: 101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ 63-mal mehr Energie als bei der ersten Schätzung, weshalb die erste Tsunami-Prognose so niedrig ausfiel. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1,4: Die Werte der beiden Behörden unterscheiden sich in der Energie um etwa 40 %, wenig im Vergleich zum ersten Fehler. Für Mw 9,0 ist M₀ = 1022.6 ≈ 4,0 × 1022 N·m, also D = 4,0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1,5 × 105 m) ≈ 17 m; für Mw 9,1 ist M₀ ≈ 5,6 × 1022 N·m und D ≈ 23 m. Der mittlere Versatz von rund 17 bis 23 m ist weniger als die Hälfte des Maximums von 50 bis 60 m, das sich nahe dem Graben konzentrierte, wo es den Meeresboden am stärksten anhob und den größten Tsunami auslöste.
  3. Wie viel Vorwarnzeit kann die Frühwarnung geben?: Laufzeit der S-Wellen bis Tokio ≈ 376 km ÷ 3,5 bis 4 km/s ≈ 94 bis 107 s, die Vorwarnzeit beträgt also etwa 64 bis 77 s, ungefähr eine Minute, wie in der Folge. In 30 s legen die S-Wellen vom Hypozentrum aus etwa 105 bis 120 km zurück; bei 30 km Tiefe erreicht das die Oberfläche bis zu √(105² − 30²) ≈ 100 km bis √(120² − 30²) ≈ 116 km vom Epizentrum. Die Oshika-Halbinsel, etwa 82 km vom Hypozentrum entfernt, spürte die S-Wellen schon nach nur etwa 20 bis 23 s, also vor einer solchen Warnung. Bei einem großen Erdbeben wächst der Bruch selbst minutenlang weiter und sendet starke Wellen von Teilen der Verwerfung aus, die später brechen und näher an weit entfernten Städten liegen; echte Vorwarnzeiten hängen daher vom gesamten Bruch ab, nicht nur von seinem Ausgangspunkt.
  4. Das Spannungsbudget und die Wiederkehr von Tsunamis vom Jōgan-Typ: 50 m ÷ 0,083 m/Jahr ≈ 600 Jahre; 20 m ÷ 0,083 m/Jahr ≈ 240 Jahre. Von 869 bis 2011 (1.142 Jahre) sammelten sich etwa 95 m Konvergenz an, mehr als der Versatz von 2011, also wird nicht die gesamte Konvergenz als Spannung im verhakten Bereich gespeichert: Ein Teil wird durch langsames, stilles Gleiten und durch die vielen kleineren Erdbeben an dieser Plattengrenze abgebaut. Ozawa und Kollegen (2011) weisen auf die andere Seite des Budgets hin: Vor 2011 zeigte GPS, dass sich vor Tōhoku Spannung viel schneller aufbaute, als frühere Erdbeben an der Plattengrenze sie im Durchschnitt abgebaut hatten, was die Frage aufwarf, wie diese Spannung schließlich freigesetzt würde. Wahrscheinlichkeiten: für T = 1.000 Jahre 1 − exp(−0,03) ≈ 3 % in 30 Jahren und 1 − exp(−0,05) ≈ 5 % in 50 Jahren; für T = 500 Jahre etwa 6 % und 10 %. Einige Prozent über die Lebensdauer eines Kraftwerks oder einer Stadt sind alles andere als vernachlässigbar, wenn die Folgen katastrophal sind; deshalb müssen seltene Ereignisse Teil der Auslegung sein und dürfen nicht aus ihr herausfallen.
  5. Hat das Erdbeben wirklich die Tageslänge verändert?: ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10−6 s ÷ 86.400 s ≈ −2,1 × 10−11. Der Trend von 1,8 ms pro Jahrhundert entspricht 1,8 × 10−3 s ÷ 36.525 Tage ≈ 4,9 × 10−8 s pro Tag und Tag, er würde die Änderung also in etwa 1,8 × 10−6 ÷ 4,9 × 10−8 ≈ 37 Tagen ausgleichen. In einem Jahr: 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. Der Effekt ist echt, aber winzig, viel kleiner als die natürlichen Schwankungen der Tageslänge durch Winde, Meeresströmungen und den Erdkern; deshalb wurde er berechnet und nicht gemessen.