Tausende von Seismometern auf einem Kabel

Heutzutage sorgen Glasfaserkabel f¨¹r rasche Daten¨¹bertragung und erm?glichen erst das Streaming von Filmen und Serien in HD oder gar 8K-Aufl?sung. Auch das Arbeiten von zuhause aus ist ohne schnelle und breitbandige Daten¨¹bertragung via Glasfaser undenkbar geworden. Aber nicht nur profane Anwendungen sind mit Lichtwellenleitern m?glich. Schon l?nger nutzen beispielsweise Betreiber von kritischer Infrastruktur Glasfasern zur ?berwachung ihrer Anlagen.

?Dass man Glasfasern f¨¹r viele Zwecke nutzen kann, ist nichts Neues?, sagt Andreas Fichtner, Professor f¨¹r Geophysik am Departement Erdwissenschaften der ETH Z¨¹rich. Nun aber ist er zusammen mit Fabian Walter, Professor an der Versuchsanstalt f¨¹r Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) daran, den Einsatzbereich von Glasfaserkabeln massiv zu erweitern. So messen die beiden ETH-Professoren auf dem Rhonegletscher in den Schweizer Alpen Gletscherbeben mit einer nie da gewesenen Aufl?sung.

W?hrend Fichtner vor allem daran interessiert ist, das Potenzial von Glasfaserkabeln f¨¹r die Seismik (Erdbebenforschung) auszuloten, ist Glaziologe Walter vorwiegend daran interessiert, das Gletschergleiten und die damit zusammenh?ngenden seismischen Vorg?nge im Eis besser zu verstehen: ?Besonders interessieren mich Beben, die vom Gletscherbett herkommen.?

Hochaufgel?ste Messungen

Ende Juni 2020 verlegten die Forschenden ein neun Kilometer langes Kabel auf der Oberfl?che des Rhonegletschers und koppelten es mit einem Messger?t, dem sogenannten Interrogator. Auf der Seitenmor?ne schlugen die Forschenden ihre Zelte auf; zwei Monate lang lebten hier wochenweise jeweils zwei Personen, um die Ger?tschaften zu ¨¹berwachen, volle mobile Festplatten auszuwechseln und den Stromgenerator am Laufen zu halten.

Die Technik, die die Forschenden anwenden, ist relativ einfach. Durch die Glasfaser wird permanent ein Lichtstrahl von bestimmter Wellenl?nge geschickt. Jeder Druck oder jede Spannung auf das Kabel ver?ndert das Muster der Lichtwellen. Der Interrogator misst die zur¨¹cklaufenden Interferenzen, anhand derer die Forschenden dann berechnen k?nnen, wo Ersch¨¹tterungen auftraten und wie stark diese waren. Und das mit sehr hoher r?umlicher und zeitlicher Aufl?sung. ?Ein Kabel ersetzt tausende von Seismometern?, betont Fichtner. Die Sensitivit?t ist zwar geringer als die hochwertiger Seismometer, jedoch wird dies durch die enorme Anzahl von Messpunkten bei Weitem kompensiert.

Diese hochaufgel?ste Messmethode generiert jedoch einen Datenberg: ?Die Auswertungen werden schrecklich?, schmunzelt Fichtner. ?Wir werden Methoden entwickeln m¨¹ssen, um die Datenmenge zu meistern.? Bei der Messkampagne d¨¹rften rund 20 Terabytes an Rohdaten anfallen, 10 bis 100?Mal mehr, als mit zehn auf dem Gletscher verteilten Seismometern erhoben werden w¨¹rden.

Minibeben im Sekundentakt

Erste Tests mit einem kurzen Kabel f¨¹hrten Fichtner und Walter im Fr¨¹hjahr 2019 durch. Dar¨¹ber haben die Forschenden eine wissenschaftliche Arbeit geschrieben, die vor Kurzem in der Fachzeitschrift ?Nature Communications? erschien. Darin zeigten die Forschenden nicht nur auf, welch hohes Potenzial die Methode hat, sondern auch, dass Gletscherbeben vorwiegend in Schw?rmen auftreten, insbesondere im Grenzbereich zwischen Eis und Gletscherbett. Solche Cluster w¨¹rden darauf schliessen lassen, dass das Eis nicht gleite, sondern ruckelnd vorw?rtsrutscht. ?Laut g?ngigen Theorien sollte das nicht so sein?, erkl?rt Fabian Walter, ?bisher gingen die Glaziologen davon aus, dass das Bett eines Gletschers durch Schmelzwasser gut geschmiert ist, was ein Gleiten zul?sst.? Die Minibeben im Rhonegletscher treten zum Teil im Sekundentakt auf.

?Meine neue Hypothese ist, dass das Gletschergleiten vergleichbar ist mit dem Gleiten von tektonischen Platten?, erg?nzt Walter. Die meisten der im Rhonegletscher gemessenen Ersch¨¹tterungen haben eine Magnitude von ¨C1 bis ¨C2. ?Das entspricht in etwa dem Knacken im Eis beim Schlittschuhlaufen auf einem gefrorenen See?, sagt er. ?Das kann man nicht sp¨¹ren wie ein richtiges Erdbeben.?

Aus der Antarktis sind allerdings Gletscherbeben von Magnitude 3 bis 4 bekannt, im Extremfall sogar eines von Magnitude 7. Zum Vergleich: Das Gorkha-Beben in Nepal von 2015 hatte eine Magnitude von 7,8. Der Unterschied sei, dass sich solch grosse Gletscherbeben im Vergleich zu klassischen Erdbeben langsam ereignen und mehrere Minuten dauern k?nnen. Dadurch sind sie weniger zerst?rerisch als ein Beben an tektonischen Platten.

Erdbebenvorsorge mit Hilfe von Glasfasernetzen

Geophysiker Fichnter indessen will Glasfaserkabel nicht nur zur Messung von Gletscherbeben nutzen. Ihm schwebt vor, dereinst die Glasfasernetze grosser St?dte zu verwenden, um den geologischen Untergrund zu untersuchen. Stichwort: Seismische Tomografie. Mit Hilfe dieser Methode k?nnen Forschende schwache Gesteinsschichten oder kritische Bruchstellen feststellen. Ziel ist es, anhand der Geschwindigkeit und Laufzeit von Erdbebenwellen, die die Glasfaser auff?ngt, ein Bild des Untergrunds zu erzeugen, um damit das Erdbebenrisiko besser absch?tzen zu k?nnen. Denkbar ist, die Glasfasernetze grosser Ballungsr?ume wie Istanbul, Athen oder San Francisco, die ein grosses Erdbebenrisiko haben, zu nutzen.

Dass dies funktionieren k?nnte, zeigte Fichtner anhand eines Machbarkeitsversuchs in Bern auf. Dort haben er und seine Mitarbeitenden zusammen mit dem Internetbetreiber Switch seismische Messungen auf einer sechs Kilometer langen, geraden Glasfaser durchgef¨¹hrt. ?Das entspricht etwa 3000 kleineren Seismometern. So viele solche Ger?te in dieser Dichte einzurichten, ist schlicht unm?glich?, betont Fichtner.

Den Interrogator stellte er im Serverraum der Universit?t Bern auf. Die Daten, die das Glasfaserkabel lieferte, liessen schliesslich ein detailreiches Bild des Untergrunds von Bern zu. ?Bern war das ideale Testgebiet, auch weil die Fasergeometrie sehr einfach war?, blickt Fichtner zur¨¹ck. Dass er auch komplexere Glasfasernetze zu beherrschen lernt, ist eine Frage der Zeit und der M?glichkeit, solche Messungen in grossen St?dten durchf¨¹hren zu k?nnen.