Zwei Erdbeben und das „Seismometer“ in deiner Tasche

Um 18:04 Uhr Ortszeit am 24. Juni in Venezuela klingelte das Telefon von Patricia Aroir in der Gemeinde Macaracuay östlich der Hauptstadt Caracas. Plötzlich erschien eine Warnung, die sie noch nie zuvor gesehen hatte.

„Sobald das Telefon das Signal erhielt, sind wir direkt auf die Straße gerannt und waren so genau rechtzeitig vor dem Erdbeben da.“ sagte der Angestellte der italienischen Botschaft später einem Reporter.

Fast zur gleichen Zeit erhielt auch der 39-jährige Schriftsteller Pelikles Sanchez dieselbe Warnung. „Wir wussten, wann wir rausgehen mussten“, sagte er der Associated Press. „Wir fingen erst an, die stärker werdenden Erschütterungen zu spüren, als wir bereits draußen standen.“

Bei diesen beiden Personen war die Reaktionszeit lang genug, eine halbe Minute. In Barquisimeto, einem kulturellen Zentrum im Nordwesten des Landes, schrieb ein dort lebender Netizen in sozialen Medien: Zwischen der Anzeige von Google und dem plötzlich heftigen Wanken der Stadt vergingen nur etwa fünf Sekunden.

An diesem Abend ereigneten sich in Venezuela zwei starke Erdbeben, mit einem Abstand von fast 39 Sekunden. Das zweite hatte eine Stärke von 7,5 auf der Richterskala und war das stärkste in diesem Land seit über einem Jahrhundert.

Standort 28. Juni Ortszeit hatte die Regierung die Zahl der Toten auf über 1.400, die der Verletzten auf etwa 3.500 festgestellt. Die Anzahl der von dem Erdbeben deutlich betroffenen Einwohner belief sich auf über 12.000.

Es ist bemerkenswert, dass die Warnung weder von der venezolanischen Regierung noch von einer seismischen Frühwarnbehörde in anderen Ländern oder Regionen Südamerikas ausgegeben wurde. Das venezolanische Erdbebenforschungsinstitut FUNVISIS ist nur für die nachträgliche Aufzeichnung, nicht für die Vorwarnung zuständig.

Es war Google, das alle warnte, bevor die Erdbebenwellen die Menschen erreichten. Laut nachträglichen Daten vergingen nur etwa neun Sekunden zwischen dem Bruch der Gesteine unter der Erde und der ersten Warnung auf Millionen von Mobiltelefonen.

2 Milliarden Mobiltelefone zu Seismographen machen

Ihr Mobiltelefon hat einen Sensor, der das Bild dreht, wenn Sie es quer halten, um Videos anzusehen, und der auch für viele andere Funktionen wie die Bewegungserfassung zuständig ist.

Dies ist der Beschleunigungssensor – derselbe Sensor, der bereits vor dem eigentlichen Erdbeben, das Sie spüren können, die leichten Erschütterungen unter Ihrem Fuß fühlen kann. Er ist der Ausgangspunkt des von Google für Android-Smartphones entwickelten Erdbebenwarnsystems (Android Earthquake Alerts).

Wenn das Telefon ruht, kann der Beschleunigungssensor äußerst leichte Bewegungen wahrnehmen – in der Erdbebenkunde als P-Wellen oder Longitudinalwellen bezeichnet – und sendet dann das Signal zusammen mit der ungefähren Position an die Google-Server.

Eines Telefon allein reicht nicht aus, aber wenn Hunderte oder Tausende von Mobiltelefonen in einem bestimmten geografischen Bereich gleichzeitig ähnliche Erschütterungen melden, kann der Server entscheiden, dass möglicherweise ein echtes Erdbeben stattfindet.

Anschließend kann das auf den Servern laufende System innerhalb von Millisekunden anhand der von Hunderten von Mobiltelefonen gesendeten Signale die ungefähre Position des Erdbebenherds, die Stärke und andere Daten berechnen und die Warnung an die Bewohner senden, bevor die zerstörerischen S-Wellen oder Transversalwellen an die Oberfläche gelangen und Schäden verursachen.

Lasst uns nun anhand der von Google nach dem Erdbeben veröffentlichten Daten zurückblicken, was in den ersten 30 Sekunden nach dem Erdbeben passierte:

Drei Sekunden nach dem Anstoß im Erdbebenherd unter dem Bundesstaat Yaracuy hatten bereits viele Mobiltelefone in mehreren nordvenezolanischen Bundesstaaten die Erdbebenwellen gespürt und Daten an die Google-Server zurückgesendet, wie in der folgenden Abbildung der New York Times gezeigt wird: Die gelben Punkte markieren die Positionen der Mobiltelefone, die Daten gesendet haben.

Etwa in der dritten Sekunde detektierten die Beschleunigungssensoren der Mobiltelefone P-Wellen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 4 Meilen pro Sekunde, aber geringer Stärke. Die ersten Mobiltelefone, die die Wellen detektierten, mussten in Ruhe sein, z. B. auf einem Tisch liegen.

Etwa neun Sekunden später hatte das Android-Erdbebenwarnsystem genug Daten gesammelt und die Berechnungen abgeschlossen, um das Erdbeben zu identifizieren und die ersten Warnungen vollautomatisch zu senden. Wir verweisen ebenfalls auf die Abbildung der New York Times: Die Mobiltelefone in der blauen Rahmung erhielten in der neunten Sekunde die Warnung. Gleichzeitig meldeten auch mehr Mobiltelefone in der Nähe die Erschütterungen.

Google gab später bekannt, dass wenige Sekunden nach dem ersten Erdbeben auch das zweite, stärkeres Erdbeben detektiert wurde. Das System erkannte, dass die Stärke zunahm, und sendete daher mehr Warnungen: Da sich die Erdbebenwellen der beiden Ereignisse überlappten, behandelte das System sie als ein einziges großes Erdbebenereignis und sendete Warnungen an alle Mobiltelefone in den Gebieten, in denen Mobiltelefone Signale zurückgesendet hatten.

Deshalb erhielten 15 und 21 Sekunden nach dem ersten Erdbeben alle Gebiete im Norden Venezuelas Warnungen:

Das Android-Betriebssystem hat weltweit einen Marktanteil von etwa 70 % bei den Smartphone-Betriebssystemen. Das bedeutet, dass, wenn man von den an die jeweiligen nationalen Märkte angepassten Systemen absieht, weltweit mindestens zwei Milliarden Mobiltelefone auf Hardwareebene jederzeit als „temporäre Seismographen“ fungieren können. Laut offiziellen Google-Daten betrug die Gesamtzahl der angeschlossenen Endgeräte des Android Earthquake Alerts-Systems im Jahr 2019 nur etwa 250 Millionen, inzwischen sind es 2,5 Milliarden.

Interessanterweise ist die Nacht der effektivste Zeitraum für das System. Da die Mobiltelefone während des Schlafs der Benutzer normalerweise auf dem Nachttisch liegen und still sind, ist die Wahrnehmung am empfindlichsten.

Im Juli letzten Jahres veröffentlichte die renommierte Fachzeitschrift Science die Bilanz des Android Earthquake Alerts-Systems. Das von Google eingereichte Papier zeigte, dass das System in den ersten drei Jahren im Durchschnitt 312 Erdbeben aller Größen pro Monat detektierte, die in 98 Ländern auftraten. Bei den insgesamt 18.000 Detektionen wurden bei über 2.000 Erdbeben, die eine Warnung wert waren, Warnungen gesendet, insgesamt etwa 800 Millionen Mal.

Unter den Menschen, die die Warnung erhielten, füllten über 1,5 Millionen Personen nachträglich Umfragebögen aus, und 85 % von ihnen fanden das System „sehr nützlich“.

Dies ist ein ziemlich gutes Ergebnis: Seismographen, die ursprünglich nur von Fachinstitutionen verwendet werden konnten, können jetzt in die Tasche jedes Durchschnittsbürgers passen.

Das Android Earthquake Alerts-System basiert im Wesentlichen auf Crowdsourcing-Sensorik, Signalverarbeitung und statistischer Regression.

Im Vergleich zu traditionellen Seismographennetzen, die auf wenigen, im Boden vergrabenen, teuren Seismographen beruhen, „rekrutiert“ das Google-System direkt zwei Milliarden Mobiltelefone weltweit. Wenn man sich nur ein Mobiltelefon ansieht, sind die Daten sicherlich ungenau und unzuverlässig, aber eine große Anzahl von Stichproben kann die Qualität einer einzelnen Stichprobe ausgleichen. Dies nennt man Crowdsourcing-Sensorik.

Jeder Beschleunigungssensor in jedem Mobiltelefon registriert ständig Beschleunigungsdaten, die für die Erdbebenwarnung für die meiste Zeit als Rauschen gelten. Aber Google's STA/LTA-Algorithmus für Erdbebensignale vergleicht die durchschnittliche Erschütterung in den letzten ein bis zwei Sekunden mit der in den letzten mehreren Sekunden. Wenn das Verhältnis plötzlich stark ansteigt, gibt es genug Gründe zu der Annahme, dass tatsächlich Erdbebenwellen detektiert wurden. Das Extrahieren nützlicher Signale aus dem Rauschen und die intelligente mathematische Berechnung der Erdbebenwellenform nennt man Signalverarbeitung.

In der Erdbebenkunde gibt es bereits etablierte Formeln. Das System passt diese Formeln an die von den Mobiltelefonen zurückgesendeten Daten an und kann mit der Methode der kleinsten Quadrate schnell die Daten für den Epizentrum und die Stärke berechnen, die die beobachteten Ergebnisse am besten erklären. Dies nennt man statistische Regression.

Im Wettlauf mit den Erdbebenwellen

Wie bereits erwähnt, werden beim Auftreten eines Erdbebens zwei Arten von Wellen freigesetzt.

Die vorderen Wellen werden P-Wellen genannt. Sie sind schnell, aber die Erschütterungen sind mild, und es gibt nur wenige Fälle, in denen Schäden durch P-Wellen verursacht werden. Die dahinter folgenden S-Wellen tragen den größten Teil der Energie eines Erdbebens. Gebäudeumbrüche, Personenschäden und Sachschäden sind in der Regel die Folge von S-Wellen.

Die Ausbreitung von S-Wellen ist normalerweise etwa halb so schnell wie die von P-Wellen. Die meisten Erdbebenwarnsysteme nutzen diesen Zeitunterschied.

Die Sensoren in der Nähe des Erdbebenherds – in diesem Fall viele Mobiltelefone – spüren zuerst die milden P-Wellen und senden sofort die Daten über das Netzwerk hoch. Man kann sich das so vorstellen: Die Daten, die mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden, sind auch bei schlechter Netzwerkgeschwindigkeit schneller als die Erdbebenwellen selbst.

Deshalb kann das Google-System die Daten berechnen und die Warnung senden, bevor die stärker zerstörerischen S-Wellen die Bewohner in größerer Entfernung vom Erdbebenherd erreichen. Natürlich ist die Vorwarnzeit umso länger, je weiter man vom Erdbebenherd entfernt ist. Beispielsweise hat Caracas, die Hauptstadt, eine Entfernung von etwa 180 Kilometern vom Erdbebenherd, und es kann bis zu 30 Sekunden Vorwarnzeit gewonnen werden.

Aber wir müssen diesem System eine Portion Skepsis hinzufügen: Erdbebenwarnung ist nicht gleich Erdbebenvorhersage. Es kann nicht vorhersagen, wann und wo in den nächsten Tagen ein Erdbeben einer bestimmten Stärke auftreten wird. Dies ist bis heute für die Menschheit noch nicht möglich.

Alles, was es tun kann, ist, Ihnen einige Sekunden Zeit zu verschaffen, nachdem das Erdbeben bereits begonnen hat, aber bevor es zu Ihnen gelangt.

Leider ist das System umso weniger hilfreich für die Evakuierung und die Prävention von Schäden, je näher man sich dem Erdbebenherd befindet. Man kann sich das so erklären: Jeder Schritt, von der Erfassung durch die Sensoren über die Berechnung auf den Servern bis zur Zustellung der Warnung, braucht Zeit.

Nach Schätzungen des US Geological Survey kann kein Erdbebenwarnsystem heute in einem Radius von 25 Kilometern um den Erdbebenherd die Erdbebenwellen überholen. Dieser Bereich wird daher als „Vorwarnblindzone“ bezeichnet.

Beim Erdbeben von Magnitude 7,0 am 16. April 2018 in der japanischen Präfektur Kumamoto erhielten die meisten Bewohner in den am stärksten betroffenen roten Gebieten keine Vorwarnung. Insgesamt starben 45 Menschen. Quelle: US Geological Survey

Die „letzte Meile“ der Erdbebenwarnung

Das eigentliche Problem bei der Erdbebenwarnung ist, wie man die Warnung in einem möglicherweise nur wenige Sekunden dauernden Zeitfenster an eine Person senden kann, die möglicherweise im Auto fährt, kocht oder schläft?

Dies ist ein klassisches Problem der „letzten Meile“ und der Punkt, an dem sich die großen Erdbebenwarnsysteme wirklich messen.

Jeder hat ein Mobiltelefon, also ist das Mobiltelefon offensichtlich das wichtigste Ziel für die Warnung. Derzeit verwenden die großen Erdbebenwarnsysteme ein „Zellenrundruf“-Verfahren, bei dem die Basisstationen direkt an alle kompatiblen Mobiltelefone in ihrem Bereich eine einmalige Rundrufmeldung senden, ohne auf die Nummern zu achten und ohne Angst vor Netzwerküberlastung. Darüber hinaus klingt der Zellenrundruf auch auf Mobiltelefonen, wenn das Stummschaltmodus aktiviert oder der Klingelton ausgeschaltet ist, mit Ausnahme des Flugmodus.

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