Erdbeben und Fernerkundung

Erdbeben sind die Freisetzung von Spannungen in der Erdkruste, die durch das Verschieben tektonischer Platten entlang einer Verwerfungslinie, Plattensubduktion, unterirdischen Wärmefluss und Vulkanismus verursacht werden. Wenn sich die Platten aneinander vorbeibewegen, senden sie seismische Wellen durch die Erde. Erdbeben haben verheerende Auswirkungen auf Leben und Infrastruktur und gehören zu den tödlichsten und kostspieligsten Naturkatastrophen auf unserem Planeten.

Satellitenbeobachtungen sind ein vielversprechendes Instrument zur schnellen Erkennung und Überwachung von Erdbeben, da sie in Krisenzeiten eine schnellere Reaktion und Kommunikation ermöglichen. Fernerkundungssatelliten liefern Daten zu seismischer Aktivität, Landnutzung und dynamischen Veränderungen sowie zur Schadensbewertung, während Kommunikationssatelliten eine wichtige Unterstützung für die Katastrophenhilfe bieten.

Wissenschaftler entwickeln kontinuierlich Methoden zur Bewertung seismischer Risiken, um Erdbeben und ihre Auswirkungen besser zu verstehen. Satelliten mit Radarinstrumenten können seismische Aktivitäten aus dem Weltraum erkennen und dienen somit als wichtiges Instrument zur Messung von Erdbeben.

Kleine Veränderungen in der Topographie der Erde können mit Synthetic Aperture Radar (SAR)-Instrumenten mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Radarbildsatelliten senden Radarimpulse an die Erdoberfläche und empfangen das zurückgeworfene „Echo”. Mehrere Radarechos, die entlang der Schwadbreite und der Bewegungsbahn des Instruments gesammelt werden, werden zu einem SAR-Bild zusammengefügt, das Informationen über die Entfernung enthält, die jeder Impuls bis zum Boden zurückgelegt hat, und so die 3D-Topografie der Erdoberfläche offenbart. Diese Bildgebungstechnik profitiert von ihrer Fähigkeit, durch Wolken und völlige Dunkelheit hindurchzusehen, im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Bildern, die auf reflektiertem Licht und optimalen Bedingungen beruhen.

Interferometrisches SAR (InSAR) oder Radarinterferometrie wird verwendet, um Veränderungen in der Topographie der Erde zu messen, die durch verschiedene Prozesse, einschließlich seismischer Aktivitäten, verursacht werden. SAR wird in zusammenhängenden Bändern mit Wellenlängen von 1 bis 30 cm erzeugt, und diese längeren Wellenlängen ermöglichen es den Radarimpulsen, verschiedene Medien zu durchdringen. Durch Division der vom Impuls zurückgelegten Strecke durch seine Wellenlänge erhält man seine Phase. Bei der Interferometrie wird die Phasendifferenz zwischen zwei oder mehr Wellen untersucht, und im Fall von InSAR werden Radarsignale durch Übereinanderlegen von SAR-Bildern verglichen. Jede Phasenänderung (d. h. millimetergenaue Verschiebungen der Erdkruste) erzeugt ein Interferenzmuster und erleichtert die Erstellung von Interferogrammen.

Die folgende Grafik illustriert wie Veränderungen in der Topographie der Erde zwischen den Satellitenüberflügen eine Phasenverschiebung in den Messungen bewirken, was die Erstellung von Interferogrammen erleichtert.

InSAR Principles Quelle: eoPortal

Weltraumbasiertes InSAR ermöglicht die präzise Ortung von Erdbebenzonen, aktiven Vulkanen und langsam driftenden tektonischen Platten sowie die Überwachung von Gletscherbewegungen, Erdrutschen und vom Menschen verursachten Bodensenkungen, die Identifizierung von Grundwasserleitern und die Verfolgung der Öl- und Gasförderung auf der ganzen Welt.

Starke Erdbeben verformen nicht nur die Erdkruste, sondern verursachen auch kleine Veränderungen in den lokalen Gravitationsfeldern. Die Stärke des Gravitationsfeldes variiert an der Oberfläche des Planeten, und die Mission Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) der ESA hatte die Aufgabe, diese Schwankungen mit hoher Präzision zu kartieren. Diese Schwankungen der Schwerkraft sind oft auf die ungleichmäßige Verteilung von Material im Inneren des Planeten zurückzuführen. Erdbeben zwingen dieses Material zu Bewegungen um mehrere zehn Kilometer, was zu kleinen Veränderungen der lokalen Schwerkraft führt. Wenn Erdbeben unter Wasser entstehen, können sie die Form des Meeresbodens verändern, wodurch Wasser verdrängt wird und sowohl die Topographie der Meeresoberfläche als auch die Schwerkraft beeinflusst werden.

Die folgende Grafik zeigt Variationen im Gravitationsfeld um Japan nach dem Erdbeben der Stärke 9,0 im Jahr 2011, gemessen von GOCE und GRACE. Das Gravitationsfeld wird in Milli-Eötvös (mE) gemessen – dies entspricht 10-12 s-2. Der „Wasserball” markiert das Epizentrum.

Variationen im Gravitationsfeld um Japan nach dem Erdbeben im Jahr 2011 Quelle: eoPortal

Durch die Analyse des verheerenden Bebens der Stärke 9,0, das im März 2011 östlich der japanischen Insel Honshu stattfand, wurde herausgefunden, dass GOCE Schallwellen eines Erdbebens im Weltraum „spürte”. Hochauflösende vertikale Schwerkraftgradienten, die von GOCE über Japan gemessen wurden, zeigen, dass das Beben das Schwerkraftfeld aufgebrochen und niederfrequente Schallwellen – sogenannte Infraschallwellen – in die Atmosphäre ausgesendet hatte. Die Schallwellen verursachten Störungen der Luftdichte in der Thermosphäre, die von GOCE beim Überqueren der Wellenfront erfasst wurden. Die Ergebnisse von GOCE stimmen auch mit den Beobachtungen der deutsch-amerikanischen Mission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) überein.

Tektonische Bewegungen können auch durch Navigationssatelliten in Verbindung mit bodengestützten Empfangsstationen verfolgt werden. Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) können die Stärke großer Erdbeben bestimmen, indem sie die Verschiebung des Bodens an Empfangsstationen in der Nähe der Verwerfung messen. Seismometer reagieren viel empfindlicher auf seismische Aktivitäten, aber Erdbeben mit hoher Magnitude können die Messungen „aus der Skala“ bringen. Daher ergänzen sich GNSS und Seismometer, egal ob bodengestützt oder weltraumgestützt, gut. GNSS-Daten können auch InSAR-Daten ergänzen und so die Lücken zwischen den Überflügen über ein Gebiet füllen.

Beispielprodukt 1: Interferogramme

Satelliten führen interferometrische SAR-Scans der Erdoberfläche durch, um gepaarte oder multiple Bild-Interferogramme zu erstellen, die Veränderungen in einer Landschaft über große Gebiete hinweg sehr detailliert darstellen. Interferogramme werden mit optischen Interferenzmustern von gemeinsam reflektiertem Licht visualisiert und bilden eine farbenfrohe und umfassende Karte. Die Interferenzstreifen zwischen den phasenverschobenen SAR-Bildern stellen Veränderungen der Erdoberfläche aufgrund seismischer Aktivitäten dar.

Die folgende Grafik zeigt ein Interferogramm der Bucht von Neapel, Italien, erstellt aus den InSAR-Daten des europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1. Die Abbildung besteht aus zwei zusammengesetzten Bildern: Das größere Bild ist ein Radarbild mit Rückstreuungsintensität, das kleinere, farbige Bild ist ein Interferogramm des Vesuvs und seiner Umgebung. Die farbigen Ränder stellen Veränderungen in der Topographie dar.

Interferogramm der Bucht von Neapel Quelle: eoPortal

Beispielprodukt 2: Digitale Höhenmodelle (DHMs)

Mit LIDAR-Daten (Light Detection and Ranging) erstellte DHM (engl. DEM) werden zur Überwachung und Analyse der Folgen von Erdbeben verwendet. Multitemporale Datensätze und DEMs vor und nach einem Erdbeben werden verglichen, um Schäden und Bodenbewegungen zu bewerten. Wiederholte Lidar-Bilder können zur Beurteilung eingestürzter Gebäude und anderer Schäden an der Infrastruktur verwendet werden. DEMs sind ein detaillierteres und aussagekräftigeres Instrument als herkömmliche Bilder für die Schadensbewertung nach Naturkatastrophen, da 3D-Veränderungen gemessen werden können und so mehr Informationen aus dem Standort gewonnen werden können. Höheninformationen aus Lidar-Impulsen zeigen an, ob ein Gebäude eingestürzt ist oder ob sich die Erde bewegt hat. Dazu vergleicht man DEMs, die vor bzw. nach einem Erdbeben erstellt wurden.

Aspekte, die nach einem Erdbeben typischerweise mit Lidar-Daten bewertet werden, sind Krustenbewegungen, Gebäudeschäden und Erdrutsche. All diese Messungen können Ersthelfern, Rettungsdiensten und lokalen Behörden helfen.

Die folgende Grafik ziegt einen Vergleich der digitalen Oberflächenmodelle (DOM, engl. DSM) vor (Januar 2013) und nach (April 2016) dem Kumamoto-Erdbeben über dem Dorf Minimami-Aso in der Präfektur Kumamoto, Japan.

DSM-Vergleich zum Kumamoto-Erdbeben (Japan) Quelle: eoPortal

Neben Lidar-Instrumenten können auch weltraumgestützte SAR-Instrumente zur Erstellung von DOMs verwendet werden (Bild unten):

Am 28. März 2025 erschütterte ein starkes Erdbeben der Stärke 7,7 Zentralmyanmar und versetzte die gesamte Region in Schockzustände. Mithilfe von Satellitenradarbildern können Wissenschaftler das Ausmaß von Brüchen kartieren und Gebiete mit erhöhtem Erdbebenrisiko identifizieren.

Die Sentinel-1-Mission umfasst zwei Satelliten, die in einem Abstand von 180 Grad um die Erde kreisen, sodass sie zusammen alle sechs Tage den gesamten Globus abdecken. Nur einen Tag vor dem Erdbeben hatte der Satellit Sentinel-1A im Rahmen seines routinemäßigen globalen Überwachungsplans ein Radarbild von Myanmar aufgenommen. Einige Tage nach dem Beben kehrte Sentinel-1C an den Ort zurück und wurde beauftragt, ein weiteres Bild aufzunehmen. Beide Bilder wurden zu einem Interferogramm der Sagaing-Verwerfung kombiniert.

Diese Bilder zeigen eine Vergrößerung des Gebiets um Pyawbwe, aber die engeren Streifen zeigen sehr deutlich die berüchtigte Sagaing-Verwerfung, die von Norden nach Süden verläuft, sowie die durch das Erdbeben verursachten Bodenverschiebungen.

Jeder vollständige Farbzyklus, von Cyan über Gelb und Rot bis Blau und zurück zu Cyan, steht für eine Bodenverschiebung von etwa 160 cm entlang der Verwerfungslinie. Über die Verwerfungslinie hinweg steht jeder Farbzyklus für eine Bodenverschiebung von etwa 28 mm. Diese eindrucksvollen Ränder zeigen, wie sich verschiedene Teile des Bodens bewegt haben, wobei sich jede Seite der Verwerfung in entgegengesetzte Richtungen verschoben hat – ein klarer Beweis für eine tektonische Verschiebung.

Sentinel-1 Interferogramm Quelle: ESA

Diese Informationen sind für die Verbesserung von Erdbebenmodellen und die Entwicklung wirksamer Katastrophenschutzstrategien von entscheidender Bedeutung, darunter die Anleitung zu einem sicheren und fundierten Wiederaufbau, um Gemeinden dabei zu helfen, widerstandsfähiger wiederaufzubauen.

Relevante Satellitenmissionen

Weitere Informationen:

• Earthquakes (InSAR) (eoPortal)
• Sentinel-1 captures ground shift from Myanmar earthquake (ESA 2025)
• AI challenge advances satellite-based disaster mapping (ESA 2025)