Dieser einfache mathematische Trick könnte laut Seismologen die Erdbebenforschung revolutionieren

    Wissenschaftler können Erdbeben nicht vorhersagen, aber ein neuer und leistungsstarker Fortschritt in der Modellierung könnte uns helfen, ihre Risiken schneller als je zuvor zu verstehen.

    Erdbeben lassen sich nach wie vor nicht vorhersagen, aber wenn man versteht, was unter der Erde vor sich geht, kann man erkennen, wie gefährlich sie sein können. Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie ultraschnelle Simulationen die Untergrundstruktur effizienter kartieren können und so zur Verbesserung der Risikobewertung von Erdbeben und Tsunamis beitragen.
    Erdbeben lassen sich nach wie vor nicht vorhersagen, aber wenn man versteht, was unter der Erde vor sich geht, kann man erkennen, wie gefährlich sie sein können. Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie ultraschnelle Simulationen die Untergrundstruktur effizienter kartieren können und so zur Verbesserung der Risikobewertung von Erdbeben und Tsunamis beitragen.

    Erdbeben ereignen sich täglich, manchmal mit verheerenden Folgen, aber ihre Vorhersage bleibt weiterhin unerreichbar. Was Wissenschaftler tun können, ist, die verborgenen Schichten unter der Oberfläche zu kartografieren, die die Intensität der Erschütterungen steuern.

    Ein neuer Ansatz beschleunigt komplexe seismische Simulationen um etwa das 1.000-fache und macht Risikobewertungen damit wesentlich praktikabler. Zwar lässt sich damit das nächste Erdbeben nicht vorhersagen, aber es kann Städten helfen, sich besser darauf vorzubereiten.

    Jedes Jahr werden Tausende von Erdbeben registriert.

    Am 6. Dezember 2025 wurde Alaska von einem starken Erdbeben der Stärke 7,0 heimgesucht. Erdbeben dieser Stärke erregen zwar Aufmerksamkeit, treten jedoch weitaus häufiger auf, als vielen Menschen bewusst ist. Der United States Geological Survey (USGS) schätzt, dass weltweit täglich etwa 55 Erdbeben auftreten, was einer Gesamtzahl von etwa 20.000 pro Jahr entspricht.

    In der Regel erreicht ein Erdbeben pro Jahr eine Stärke von 8,0 oder mehr, während etwa 15 Erdbeben eine Stärke von 7 auf der Richterskala erreichen, die die freigesetzte Energie misst. Allein im Jahr 2025 gehörte ein Erdbeben der Stärke 8,8, das sich vor der Küste der Halbinsel Kamtschatka in Russland ereignete, laut USGS zu den 10 stärksten Erdbeben, die jemals registriert wurden.

    Durch Erdbeben verursachte Schäden kosten die Vereinigten Staaten mittlerweile etwa 14,7 Milliarden Dollar pro Jahr.
    Durch Erdbeben verursachte Schäden kosten die Vereinigten Staaten mittlerweile etwa 14,7 Milliarden Dollar pro Jahr.

    Erdbeben können Menschenleben kosten, Gebäude und Straßen zerstören, die Wirtschaft beeinträchtigen und bei den Betroffenen bleibende emotionale Narben hinterlassen.

    Auch ihre finanziellen Auswirkungen nehmen zu. Ein Bericht der USGS und der Federal Emergency Management Agency (FEMA) aus dem Jahr 2023 ergab, dass Erdbebenschäden die Vereinigten Staaten mittlerweile jährlich etwa 14,7 Milliarden US-Dollar kosten. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass immer mehr Menschen in Regionen mit häufiger seismischer Aktivität leben.

    Den Boden unter unseren Füßen verstehen

    Obwohl der genaue Zeitpunkt weiterhin unvorhersehbar ist, kann das Verständnis dessen, was unter der Erdoberfläche liegt, die Risikobewertung erheblich verbessern.

    Kathrin Smetana, außerordentliche Professorin am Fachbereich für Mathematik am Stevens Institute of Technology, erklärt, dass die Materialien im Untergrund sehr unterschiedlich sind. „Sie können Schichten aus festem Gestein, Sand oder Lehm enthalten“, sagt sie. Da sich seismische Wellen in jedem Material unterschiedlich ausbreiten, hat die Art des Untergrunds einen starken Einfluss darauf, wie die Erschütterungen an der Oberfläche wahrgenommen werden.

    Wie kartografieren Wissenschaftler den Untergrund?

    Um diese unterirdischen Schichten zu kartieren, verwenden Forscher eine Methode, die als Vollwellenform-Inversion bekannt ist. Diese seismische Bildgebungstechnik hilft dabei, unterirdische Strukturen zu rekonstruieren, indem sie Simulationen mit realen seismischen Daten kombiniert.

    Das neue Modell ermöglicht es Wissenschaftlern nicht, vorherzusagen, wann Erdbeben auftreten werden. Stattdessen bietet es eine effizientere Methode zur Bewertung des Erdbebenrisikos an verschiedenen Orten.
    Das neue Modell ermöglicht es Wissenschaftlern nicht, vorherzusagen, wann Erdbeben auftreten werden. Stattdessen bietet es eine effizientere Methode zur Bewertung des Erdbebenrisikos an verschiedenen Orten.

    Wissenschaftler generieren zunächst rechnergestützte Erdbeben und verfolgen, wie sich seismische Wellen durch die Erde ausbreiten. Anschließend analysieren sie die simulierten Wellenmuster an verschiedenen Orten mithilfe von Seismographen und vergleichen sie mit realen Seismogrammen, also grafischen Aufzeichnungen der Bodenbewegungen während tatsächlicher Erdbeben. Nach mehreren Verfeinerungsrunden stimmen die simulierten Daten zunehmend mit den realen Beobachtungen überein und liefern ein klareres Bild der Untergrundbedingungen.

    In der Praxis beginnen Forscher mit einer ersten Schätzung des Untergrunds in einem bestimmten Gebiet. Sie passen dieses Modell wiederholt an und führen jedes Mal neue Simulationen durch, bis es mit den tatsächlichen seismischen Messungen übereinstimmt.

    Eine schnellere Methode zur Simulation von Erdbeben

    Smetana arbeitete mit den Computerseismologen Rhys Hawkins und Jeannot Trampert von der Universität Utrecht sowie Matthias Schlottbom und Muhammad Hamza Khalid von der Universität Twente in den Niederlanden zusammen. Gemeinsam entwickelten sie ein vereinfachtes Modell, das die Rechenlast drastisch reduziert und gleichzeitig die Genauigkeit beibehält.

    „Im Grunde genommen haben wir die Größe des zu lösenden Systems um etwa das Tausendfache reduziert“, sagt Smetana. „Es war ein interdisziplinäres Projekt, und wir haben einen intelligenten Weg gefunden, das reduzierte Modell zu erstellen und dabei die Vorhersagegenauigkeit zu erhalten.“

    Verbesserung der Risikobewertung, nicht der Vorhersage

    Das neue Modell ermöglicht es Wissenschaftlern nicht, das Auftreten von Erdbeben vorherzusagen. Stattdessen bietet es eine effizientere Methode zur Bewertung des Erdbebenrisikos an verschiedenen Standorten. „Wenn wir ein gutes Bild vom Untergrund erhalten, können wir das Risiko zukünftiger Erdbeben besser einschätzen“, erklärt Smetana. Der gleiche Modellierungsansatz könnte Wissenschaftlern letztendlich dabei helfen, durch Unterwassererdbeben ausgelöste Tsunamis zu simulieren.

    In vielen Fällen dauert es mindestens eine Stunde, bis Tsunamis nach einem Erdbeben die Küste erreichen, je nachdem, wo sich der Bruch ereignet hat. Dieses Zeitfenster könnte es Forschern ermöglichen, schnelle Simulationen durchzuführen, die als Leitfaden für Notfallmaßnahmen dienen.

    Quellenhinweis:

    Rhys Hawkins, Muhammad Hamza Khalid, Matthias Schlottbom & Kathrin Smetana. Model Order Reduction for Seismic Applications. SIAM Journal on Scientific Computing (2025).