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Makroseismische Intensitäten und Magnituden zur Skalierung der Bebenstärke
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Im 19. Jahrhundert begannen Arbeiten zur systematischen Erfassung von Erschütterungswirkungen von Erdbeben. Die Ausmaße der Schütterwirkungen wurden in Form von Intensitätsgraden klassifiziert. Die hierzu erstellten Intensitätsskalen wurden im Laufe der Zeit sowohl verfeinert als auch so gestaltet, dass subjektive Fehlereinflüsse in der Intensitätsbewertung minimiert werden.
Die makroseismische Intensität I stellt eine Klassifizierung der Stärke der Bodenerschütterungen auf der Grundlage beobachteter Effekte in einem begrenzten Gebiet wie einer Ortschaft dar. Als Einschätzungsgrundlage dienen die Effekte der Bodenerschütterungen auf Menschen, Objekte in Häusern sowie das Ausmaß an Gebäudeschäden. Intensitäten sind ein robustes Maß zur Stärkeklassifizierung, unterteilt in 12 detailliert definierten Intensitätsgraden:
I nicht gefühlt, II vereinzelt gefühlt, III schwach, IV größtenteils beobachtet, V stark, VI leichte Schäden, VII schaden-bringend, VIII stärker schädigend, IX zerstörend, X sehr zerstörend, XI verwüstend, XII vollständig verwüstend. Eine detailliertere Beschreibung der Intensitätsdefinitionen anhand der neusten Skalenentwicklung in Form der Europäischen Makroseismischen Skala EMS-98 (Grünthal, 1998), welche für Europa verbindlich eingeführt und darüber hinaus auf allen Kontinenten in Gebrauch ist, gibt die folgende Tabelle.
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EMS Intensität
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Definition
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Beschreibung der maximalen Wirkungen (stark verkürzt)
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I
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nicht fühlbar
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Nicht fühlbar.
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II
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kaum bemerkbar
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Nur sehr vereinzelt von ruhenden Personen wahrgenommen.
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III
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schwach
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Von wenigen Personen in Gebäuden wahrgenommen.
Ruhende Personen fühlen ein leichtes Schwingen oder Erschüttern.
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IV
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deutlich
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Im Freien vereinzelt, in Gebäuden von vielen Personen wahrgenommen. Einige Schlafende erwachen. Geschirr und Fenster klirren, Türen klappern.
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V
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stark
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Im Freien von wenigen, in Gebäuden von den meisten Personen wahrgenommen. Viele Schlafende erwachen. Wenige werden verängstigt. Gebäude werden insgesamt erschüttert. Hängende Gegenstände pendeln stark, kleine Gegenstände werden verschoben. Türen und Fenster schlagen auf oder zu.
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VI
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leichte Gebäudeschäden
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Viele Personen erschrecken und flüchten ins Freie. Einige Gegenstände fallen um. An vielen Häusern, vornehmlich in schlechterem Zustand, entstehen leichte Schäden wie feine Mauerrisse und das Abfallen von z. B. kleinen Verputzteilen.
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VII
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Gebäudeschäden
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Die meisten Personen erschrecken und flüchten ins Freie. Möbel werden verschoben. Gegenstände fallen in großen Mengen aus Regalen. An vielen Häusern solider Bauart treten mäßige Schäden auf (kleine Mauerrisse, Abfall von Putz, Herabfallen von Schornsteinteilen). Vornehmlich Gebäude in schlechterem Zustand zeigen größere Mauerrisse und Einsturz von Zwischenwänden.
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VIII
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schwere Gebäudeschäden
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Viele Personen verlieren das Gleichgewicht. An vielen Gebäuden einfacher Bausubstanz treten schwere Schäden auf; d. h. Giebelteile und Dachsimse stürzen ein. Einige Gebäude sehr einfacher Bauart stürzen ein.
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IX
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zerstörend
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Allgemeine Panik unter den Betroffenen. Sogar gut gebaute gewöhnliche Bauten zeigen sehr schwere Schäden und teilweisen Einsturz tragender Bauteile. Viele schwächere Bauten stürzen ein.
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X
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sehr zerstörend
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Viele gut gebaute Häuser werden zerstört oder erleiden schwere Beschädigungen.
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XI
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verwüstend
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Die meisten Bauwerke, selbst einige mit gutem erdbebengerechtem Konstruktionsentwurf und -ausführung, werden zerstört.
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XII
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vollständig verwüstend
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Nahezu alle Konstruktionen werden zerstört.
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Tabelle 1:Kurzform der makroseismischen Intensitätsskala EMS-98. (Diese Kurzform stellt eine so starke
Vereinfachung dar, dass mit ihr keine Intensitätsbewertungen vorgenommen werden sollten.)
Über dem Hypozentrum sind die Intensitäten am größten (maximale oder Epizentralintensität I0) und nehmen mit zunehmender Entfernung vom Epizentrum in Abhängigkeit von der Tiefe des Bebenherdes ab. Mit dem Aufkommen und der breiten Anwendung von Erdebebengefährdungsanalysen gewann die makroseismische Methodik eine neue Blüte, da hierfür die Einbeziehung historischer, vorinstrumenteller Beben in Gebieten mit geringer Seismizität von größter Bedeutung ist. Die Makroseismik ist die einzige Möglichkeit, historische Beben stärkemäßig zu klassifizieren. Auch im Hinblick auf die Parametrisierung von Erdbebengefährdungskarten mit einem anschaulichen Erschütterungsparameter gewann die Intensität an Bedeutung. Ein weiteres modernes Anwendungsfeld bietet die Überführung von Erdbebengefährdungsanalysen in Erdbebenrisikoaussagen, welche über den Weg der Intensität in direkter Weise möglich ist. Ein sowohl klassisches als auch modernes Anwendungsfeld der Makroseismik besteht in der Analyse und Darstellung der flächenmäßigen Verteilung der Stärke der Erschütterungsintensitäten.
Für einen vertieften Einblick in die Europäische Makroseismische Skala EMS-98 sei verwiesen auf die Internetseite http://seismohazard.gfz-potsdam.de/projects/en/ems/menue_ems_e.html. Aufgrund der strikten Einbeziehung von Verletzbarkeitsgraden sowie klar definierten Häufigkeiten von bestimmten Schadensgraden bei einzelnen Intensitäten wird die EMS-98 zunehmend als Werkzeug für Erdbebenrisikoabschätzungen, d. h. für die Angabe erwarteter monetärer Verluste, eingesetzt.
 Abbildung 1: Beispielberechnung der Richter- Magnitude ML in Anlehnung an Bolt (1993).
Die Magnitude M ist ein von Charles Richter 1935 eingeführtes instrumentelles Maß zur Stärkebestimmung von Beben. Die Magnitude wird aus dem Logarithmus des maximalen
Ausschlages von Seismographen unter Berücksichtigung der Entfernung zum Erdbebenherd bestimmt. So entspricht die Magnitude 4 einem Beben, welches in 100 km Entfernung mit
einem maximal 2800-fach vergrößernden Wood-Anderson-Seismographen aufgezeichnet, einen maximalen Ausschlag auf dem Seismogramm von 1 cm ergibt.
Diese Originaldefinition von Richter ist heutzutage für Lokalbeben in Form der Lokalbebenmagnitude ML in Gebrauch. In Abbildung 1 (nach Bolt, 1993)ist ein Nomogramm dargestellt, anhand dessen eine Beispiel-Berechnung für ein Magnitude-ML=4,7 Beben aus einer gemessenen Amplitude und einer gemessenen Zeitdifferenz zwischen P- und S-Wellen eines Seismogramms nachvollzogen werden kann. Einer Magnitudeneinheit entspricht hinsichtlich der freigesetzten Bebenenergie ein Faktor von 30. Die Magnitude hat keine obere und untere Grenze. Die kleinsten Bebenmagnituden werden durch die Empfindlichkeit der Seismographen in Verbindung mit dem natürlichen Bodenunruhepegel bestimmt und erreichen ML-Werte von etwa -2. Die obere Magnitudengrenze bestimmt sich durch die Geometrie von Bruchstörungen und den Brucheigenschaften der Gesteine. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die klassischen Magnitudenkonzepte unterschiedliche Saturierungen zu hohen Magnituden zeigen. Lediglich die Momentmagnitude ist frei von einer solchen Saturierung.
Die Momentmagnitude Mw ist ein physikalisch begründetes und an die übrigen Magnitudenarten kalibriertes Stärkenmaß auf der Grundlage eines mechanischen Modells einer schlagartig aktivierten Störungsfläche als Reaktion auf eine Spannungsbeanspruchung. Die größte bisher ermittelte Momentmagnitude mit einem Wert von Mw= 9,5 erreichte das Chile-Erdbeben 1960. Aufgrund unterschiedlicher Frequenzcharakteristika von Seismographen als auch von Beben in unterschiedlichen Entfernungen vom Registrierort des Seismographen sind unterschiedliche Magnitudenskalen in Gebrauch. Ihre Kalibrierung geht mit nicht unerheblichen Streuungen einher. Daneben zeigen die Magnitudenbestimmungen an den Registrierpunkten mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften des flacheren und tieferen Untergrundes Streuungen in den Magnitudenbestimmungen von etwa ± 0.3 Magnitudeneinheiten. Damit sind die Fehler der Magnitudenberechnungen in der gleichen Größenordnung wie die Fehler der Intensitätsbewertungen. Zwischen den Magnitudenarten und der Intensität bestehen empirische Umrechnungsbeziehungen, um die verschiedenen Größen ineinander zu überführen und auch historische Beben in Form von Magnituden zu klassifizieren.
Quelle:
Der Inhalt dieser Seite wurde erstmals veröffentlicht in:
G. Grünthal: Erdbeben und Erdbebengefährdung in Deutschland sowie im europäischen Kontext. Geographie und Schule 151 (2004), 14-23.
Literaturreferenzen:
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