Erkennen, Aufzeichnen und Übertragen unterseeischer Bojensignale

Die Technik des zukünftigen Tsunami-Warnsystems im indischen Ozean

Die für die zukünftige Tsunami-Erkennung im indischen Ozean geplanten Bojen werden bis zu 6000 Meter tief im Ozean ausgesetzt, wo sie dann ein Jahr ohne weitere Eingriffe funktionieren müssen. Die Messdaten im Alarmfall haben aber nicht ein Jahr, sondern nur wenige Sekunden Zeit, an die Oberfläche gelangen.

Nach dem verheerenden Tsunami vom 26. Dezember 2004 in Asien hat die indonesische Regierung mit der Bundesrepublik Deutschland ein Kooperationsabkommen zur schnellen Errichtung eines Frühwarnsystems geschlossen. Zur Zeit wird als Teil der ersten Stufe des Tsunami-Frühwarnsystems ein Experimentalsystem vorbereitet. Dabei werden an zunächst zwei Stellen des Meeresbodens am Sunda-Graben vor der indonesischen Westküste automatische Messstationen installiert. Diese bestehen aus jeweils einer Boje und einer Meeresbodeneinheit („OBU“, Ocean Bottom Unit).

Die Messstationen erfassen alle relevanten Daten, wie Seismik, Position, Wassersäulenhöhe, Absolutdruck und Differenzdruck sowie eigene Betriebsinformationen. Die auf dem Meeresboden gewonnenen Daten werden dort vorverarbeitet, per akustischer Datenübertragung ähnlich dem Kommunikationssystem der Delphine an die Boje an der Meeresoberfläche weitergeleitet und mit den dort erfassten Daten gebündelt. Alle Informationen werden dann per Funk an den Nachrichtensatelliten Garuda übertragen, der bei 123° östlicher Länge in einem geostationären Orbit über Indonesien steht. Der Satellit wiederum übermittelt die Informationen zur weiteren Verarbeitung an das zuständige Warnzentrum.

Um Tsunamis mit einer Vorwarnzeit von 30 Minuten erkennen zu können, ist es erforderlich, mindestens 200 km vor der Küste Abweichungen von nur 10 cm vom normalen Gezeitenhub (ca. 50 cm) zu detektieren. Solch geringe Abweichungen vom Normalpegel können bei einer Meerestiefe von 4000-5000 m, wie sie z.B. vor Sumatra typisch ist, mit auf dem Meeresboden installierten Quarz-Drucksensoren erfasst werden.

Die Vorgehensweise, Seismometer und Drucksensoren mit Ozeanbodensensor-Systemen (OBS) bis zu einem Jahr in der Tiefsee zu versenken, die Messdaten zu speichern und das OBS dann ultraschallgesteuert wieder zu bergen, wurden von der Universität Hamburg und dem IFM-Geomar Kiel seit Mitte der 80er Jahre entwickelt. Für eine Tsunami-Früherkennung ist es dann zusätzlich erforderlich, die am Meeresboden gewonnenen Druckdaten durch akustische Signalübertragung mit Unterwassermodems an eine Relaisboje zu übermitteln, die neben dem OBS verankert ist und die Daten an einen geostationären Satelliten weiterleitet, der die Verbindung zum Auswertezentrum und dem Internet herstellt.

Was sind OBS und OBU?

Ein OBS ist ein autonomes System, das vom Schiff aus zu Wasser gelassen wird und dank eines Ankergewichts auf den Meeresgrund sinkt. Dort registriert es mit einem Hydrophon den Wasserschall und mit einem Geophon feinste Bewegungen des Meeresbodens. Nach Ende der Messkampagne wird mit einem vom Schiff ausgesendeten Ultraschallsignal der Anker gelöst und das OBS beginnt selbsttätig seinen Aufstieg zur Meeresoberfläche.

Das Kürzel 'OBS' steht für 'Ocean Bottom Seismometer' , weil diese Systeme ursprünglich nur für die Untersuchung von Erdbebenzonen im Meer entwickelt wurden. Inzwischen werden sie aber auch zur Exploration von Öl- und Gaslagerstätten mit Hilfe von aktiver Seismik und sogar elektromagnetischen Messungen genutzt. Daher ist der Begriff 'Ocean Bottom Sensor' inzwischen verbreiteter. Die OBS Systeme können in Wassertiefen von bis zu 6000 m eingesetzt werden.

Ein OBU ist ein OBS, das zusätzlich mit einem hochauflösenden Drucksensor für die Tsunami-Erkennung und einem akustischen Modem zu Datenübertragung ausgerüstet ist. Außerdem wird das Hydrophon durch einen Differenzdrucksensor ersetzt, der den Wasserschall genauer registrieren kann, der von einem Erdbeben erzeugt wird.

Grundlage der Sensorsignalverarbeitung auf dem Meeresgrund ist der Datenlogger Geolon-MTS von Send, die 1996 von Klaus Schleisiek und Dr. Ulrich Hoffmann in Hamburg gegründet wurde und auf die Erfassung und Verarbeitung von Signalen, die unter extremen Bedingungen gemessen wurden, spezialisiert ist. Neben der Sensorsignalverarbeitung und -speicherung werden die Druckdaten von einem Tsunamidetektionsprogramm auf Hinweise (typische Muster von Druckänderungen) untersucht, die für einen Tsunami typisch sind. Wird eine Tsunamisignatur erkannt, so wird eine entsprechende Warnung vom OBS über die Unterwassermodems an die Boje und von dort über den Satelliten ans Auswertezentrum übermittelt.

In Gegenrichtung kann das Datenzentrum jederzeit folgende Sensordaten vom OBS abrufen:

  1. Druckdaten über je fünf Minuten gemittelt, die aus Energiespargründen im allgemeinen nur alle sechs Stunden an die Boje übertragen werden
  2. Eine dreistündige Historie von Druckdaten, die alle 15 Sekunden erhoben wurden. Damit kann im Auswertezentrum im Falle einer Tsunamiwarnung nachvollzogen werden, warum das Detektionsprogramm einen Tsunami gemeldet hatte
  3. Druckdaten im 15-Sekundenabstand, die alle zwei Minuten an die Boje übertragen werden und es erlauben, die weitere Entwicklung des Drucks nach einer Warnung zu verfolgen
  4. Eine vollständige Sektion von seismischen Daten und von Druckdaten eines bestimmten Datums von z.B. 15 Minuten Länge, so dass im Falle eines Erdbebens auch die Daten der "Erdbebenwarte" auf dem Meeresgrund in die Analyse einbezogen werden kann. Diese Daten werden auf Anforderung nur abschnittsweise übermittelt, da die Datenmenge für eine kontinuierliche Übertragung an das Auswertezentrum zu groß ist.

Das OBS muss jährlich gewartet werden, um die gespeicherten Daten auszulesen und die Batterien zu erneuern. Nach der Wartung stehen dann die vollständigen seismologischen Daten (X, Y, Z und P-Wellen) und die Druckdaten für eine wissenschaftliche Auswertung zur Verfügung.

Mitwirkende an der Entwicklung des Tsunami-Warnsystems

Am Konsortium Experimentelle Ozean-Boden-Einheit für die erste Phase des deutsch-indonesischen Tsunami-Frühwarnsystems sind im einzelnen folgende Unternehmen beteiligt:

  1. BSS Behrens Schiffs- und Schweißtechnik GmbH, Hamburg: baut die Boje
  2. Develogic GmbH, Gerlingen: baut eine Unterwassermodemverbindung mit intelligenter Stromverbrauchssteuerung
  3. Evo Logics GmbH, Berlin: baut eine Unterwassermodemverbindung, die nach bionischen Prinzipien (Delphinkommunikation) arbeitet
  4. K.U.M. Umwelt- und Meerestechnik Kiel GmbH, Kiel: baut alle mechanischen Teile der Ozean-Boden-Einheit (OBU) wie die Druckzylinder und das Trägersystem mit den Auftriebskörpern
  5. Nautilus Marine Service GmbH, Bremen: wird die Boje verankern
  6. Send Signal Elektronik GmbH, Hamburg: baut den Rekorder, an den die Sensoren (Seismometer, Differential Pressure Gauge, Drucksensor) angeschlossen sind, und auf dem die Tsunamierkennung abläuft, steuert die Kommunikation über die Modems an die Boje, und ist für das Projektmanagement aller Komponenten vom Meeresgrund bis zur Boje verantwortlich.
  7. Space-Tech GmbH, Immenstaad: ist zuständig für die Software auf der Boje und für die Kommunikation über den Satelliten und ist für das Gesamt-Projektmanagement während der Experimentalphase zuständig.

Begleitende und federführende Institute:

  1. Forschungsanstalt der Bundeswehr für Wasserschall und Geophysik, Kiel: begutachtet den Einsatz der Unterwassermodems
  2. Geo-Forschungszentrum Potsdam: betreut und leitet den Bojenbau sowie die Erfassung der GPS-Daten. Das Program-Management liegt bei Dr. Jörn Lauterjung.
  3. IFM-GEOMAR, Kiel: leitet den Bau der OBU und die Installationsfahrt auf dem Forschungsschiff "Sonne".