Bei einem Erdbeben bebt der Boden nicht nur in eine Richtung. Die im Erdbebenherd freigesetzte Energie breitet sich in Form verschiedener Wellenarten durch und entlang der Erde aus. Zwei der wichtigsten sind die P-Wellen und die S-Wellen.
Wenn ein Seismometer ein Erdbeben aufzeichnet, trifft als erstes Signal üblicherweise die P-Welle ein. Wenig später folgt die langsamere S-Welle. Befindet man sich weit genug vom Epizentrum entfernt, kann man diesen Unterschied manchmal sogar spüren: zuerst ein leichtes, kurzes Vibrieren, gefolgt von einem stärkeren Beben.
Der Unterschied zwischen P- und S-Wellen besteht jedoch nicht nur darin, welche zuerst eintrifft.
P-Wellen können sich sowohl durch Feststoffe als auch durch Flüssigkeiten ausbreiten, während S-Wellen sich nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten können. Diese scheinbar einfache Eigenschaft lieferte einen der wichtigsten Beweise dafür, dass der äußere Erdkern, Tausende Kilometer unter unseren Füßen, flüssig ist.
Dieselbe Wellenart wird auch heute noch genutzt, um Erdbeben zu lokalisieren, den inneren Aufbau der Erde zu erforschen und Frühwarnsysteme für Erdbeben zu betreiben.
Was genau sind P- und S-Wellen? Welche ist schneller? Welche richtet mehr Schaden an? Und warum können sich S-Wellen nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten?
Was sind P-Wellen und S-Wellen?
P- und S-Wellen werden als Raumwellen klassifiziert , das heißt, seismische Wellen, die sich durch das Erdinnere ausbreiten.
Das bedeutet, dass sie sich nicht nur an der Erdoberfläche bewegen. Sie können Gestein durchdringen und tief in das Erdinnere vordringen.
Wenn eine Verwerfung während eines Erdbebens plötzlich aufbricht, wird eine große Menge gespeicherter elastischer Energie freigesetzt. Diese Energie wird auf das umgebende Gestein übertragen und erzeugt verschiedene Arten von seismischen Wellen.
Das P in P-Welle steht für Primärwelle.
Das S in S-Welle steht für Sekundärwelle.
Der Grund für diese Namen ist einfach:
Als erstes erreichen P-Wellen eine seismische Station.
Die S-Wellen treffen später ein.
Die Art und Weise, wie sie sich durch das Material bewegen, ist jedoch völlig anders.
P-Wellen vs. S-Wellen: Wichtigste Unterschiede
| Funktion | P-Wellen | S-Wellen |
|---|---|---|
| Vollständiger Name | Primärwellen | Sekundärwellen |
| Ankunft an der seismischen Station | Vorname | Nach den P-Wellen |
| Schnelligkeit | Schneller | Langsamer |
| Teilchenbewegung | Komprimierung und Expansion | Scherbewegung |
| Reise durch Festkörper | Ja | Ja |
| Reise durch Flüssigkeiten | Ja | Nein |
| Reise durch Gase | Ja | Nein |
| Wellentyp | Längs- / Kompressions | Quer- / Scherung |
| Typisches Schütteln | Im Allgemeinen schwächer | Oft stärker |
| Bedeutung für die Erforschung des Erdinneren | Sehr hohe | Sehr hohe |
Die Tabelle zeigt die grundlegenden Unterschiede zwischen den beiden Wellen, aber am interessantesten ist es zu verstehen, warum diese Unterschiede bestehen.
Was sind P-Wellen?
P-wave diagram showing compression and expansion as particles move parallel to the direction of wave travelP-Wellen sind die schnellsten seismischen Wellen, die bei einem Erdbeben entstehen.
Aus diesem Grund sind sie in der Regel die ersten seismischen Wellen, die von einem Seismometer erfasst werden.
Wenn sich P-Wellen ausbreiten, bewegen sie Gesteinspartikel in der gleichen Richtung vorwärts und rückwärts, in die sich die Welle selbst ausbreitet.
Man kann sich das vorstellen, indem man an eine Feder denkt.
Wenn man ein Ende einer Feder zusammendrückt und loslässt, wandert der zusammengedrückte Abschnitt durch die gesamte Feder. Die Feder bewegt sich nicht von einem Ende zum anderen; stattdessen wird Energie durch wiederholtes Zusammendrücken und Ausdehnen übertragen.
P-Wellen verhalten sich ähnlich.
Der Felsen ist kurz gesagt:
komprimiert → expandiert → erneut komprimiert.
Aus diesem Grund werden P-Wellen auch Kompressionswellen genannt.
Die Ausbreitung von Schallwellen in der Luft beruht auf einem ähnlichen Prinzip.
Wie schnell breiten sich P-Wellen aus?
P-Wellen haben keine einheitliche Geschwindigkeit.
Ihre Geschwindigkeit hängt vom Material ab, durch das sie sich bewegen, einschließlich dessen:
- Dichte,
- elastische Eigenschaften,
- Druck,
- Temperatur,
- Mineralische Zusammensetzung.
Innerhalb der Erdkruste breiten sich P-Wellen im Gestein üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 5–8 Kilometern pro Sekunde aus.
Ihre Geschwindigkeit kann in den tieferen und dichteren Bereichen des Erdmantels zunehmen.
Das ist extrem schnell.
Eine P-Welle, die sich mit 6 Kilometern pro Sekunde ausbreitet, kann in nur 10 Sekunden eine Strecke von etwa 60 Kilometern zurücklegen.
Die P-Wellengeschwindigkeit ist jedoch nicht überall auf der Erde konstant. Beim Durchgang durch Schichten unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung können die Wellen gebrochen, reflektiert werden und ihre Geschwindigkeit ändern.
Dies ist einer der Gründe, warum Wissenschaftler seismische Wellen nutzen können, um die innere Struktur der Erde zu untersuchen.
Wie fühlt sich eine P-Welle während eines Erdbebens an?
Je nach Entfernung vom Erdbebenherd und den örtlichen geologischen Gegebenheiten kann sich eine P-Welle wie ein kurzer Ruck oder eine leichte Vibration anfühlen.
Manche Menschen beschreiben große Erdbeben folgendermaßen:
„Zuerst gab es ein leichtes Beben, dann, ein paar Sekunden später, begann das starke Beben.“
Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Person die P- und S-Wellen deutlich gespürt hat. Lokale geologische Gegebenheiten, die Reaktion von Gebäuden und andere seismische Wellen können das Empfinden eines Erdbebens beeinflussen.
Befindet sich eine Person jedoch weit genug vom Epizentrum des Erdbebens entfernt, kann der Unterschied zwischen den Ankunftszeiten der P- und S-Wellen spürbar werden.
Dieser Zeitunterschied ist auch eines der Prinzipien, die Erdbebenfrühwarnsystemen zugrunde liegen.
Was sind S-Wellen?
S-wave diagram showing shear motion as particles move perpendicular to the direction of wave travelS-Wellen sind die zweite Hauptart von Körperwellen und breiten sich langsamer aus als P-Wellen.
Ihre Bewegung ist jedoch völlig anders.
Während P-Wellen das Material in Ausbreitungsrichtung komprimieren und dehnen, bewegen S-Wellen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.
Wenn sich die Welle beispielsweise nach Osten bewegt, können sich die Gesteinspartikel auf und ab oder von Seite zu Seite bewegen.
Aus diesem Grund werden S-Wellen auch Scherwellen genannt.
S-Wellen können oft stärkere Bodenbewegungen hervorrufen als P-Wellen. Es wäre jedoch falsch zu behaupten, dass S-Wellen immer die größten Erdbebenschäden verursachen. Oberflächenwellen, insbesondere Love- und Rayleigh-Wellen, können bei starken Erdbeben stärkere und länger anhaltende Bewegungen erzeugen.
Warum können sich S-Wellen nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten?
Dies ist vermutlich der wichtigste Unterschied zwischen P- und S-Wellen.
P-Wellen können sich ausbreiten durch:
Feststoffe + Flüssigkeiten + Gase
S-Wellen können sich jedoch nur durch Materialien ausbreiten, die Scherspannungen standhalten können.
Der Grund dafür ist, dass eine S-Welle erfordert, dass das Material einer seitlichen Verformung widersteht.
Wenn man einen Teil eines festen Gesteins seitlich verschiebt, widersteht das Gestein der Verformung und kann die Kraft auf benachbartes Material übertragen.
Eine Flüssigkeit verhält sich nicht auf die gleiche Weise.
Wird ein Teil einer Flüssigkeit seitlich verschoben, fließt die Flüssigkeit und verändert ihre Form. Sie kann Scherspannungen nicht so aufrechterhalten wie ein Feststoff.
Aus diesem Grund besitzen Flüssigkeiten praktisch keine Schersteifigkeit für die Ausbreitung seismischer Wellen, und S-Wellen können sich nicht durch sie hindurch ausbreiten.
Diese Eigenschaft wurde für das Verständnis der Struktur der Erde von enormer Bedeutung.
Welche Wellen sind schneller: P-Wellen oder S-Wellen?
P-Wellen sind schneller.
Deshalb werden sie auch „Primärwellen“ genannt.
Innerhalb desselben Gesteins breitet sich eine P-Welle stets schneller aus als eine S-Welle.
In einem Material, in dem sich eine P-Welle beispielsweise mit etwa 6 Kilometern pro Sekunde ausbreitet, könnte sich eine S-Welle mit etwa 3 bis 4 Kilometern pro Sekunde ausbreiten.
Mit zunehmender Entfernung vom Erdbebenherd vergrößert sich der Unterschied zwischen den Ankunftszeiten der Erdbebenherde.
In der Nähe des Erdbebenherds können die P- und S-Wellen nur wenige Sekunden nacheinander eintreffen.
Hunderte von Kilometern entfernt kann der Unterschied deutlich größer werden.
Seismologen nutzen diesen Unterschied, um abzuschätzen, wie weit eine Erdbebenquelle von einer seismischen Station entfernt ist.
Was ist das S–P-Zeitintervall?
Auf einem Seismogramm trifft zuerst die P-Welle ein.
Die S-Welle folgt später.
Die Differenz zwischen diesen Ankunftszeiten wird als S–P-Intervall bezeichnet.
Beispielsweise:
Wenn die P-Welle um 10:00:00 Uhr eintrifft,
und die S-Welle trifft um 10:00:20 ein.
Das S–P-Intervall beträgt etwa 20 Sekunden.
Im Allgemeinen gilt: Je größer dieses Intervall ist, desto weiter ist die Erdbebenquelle von der Station entfernt.
Eine einzelne Station kann die Richtung des Erdbebenherds nicht präzise bestimmen. Werden jedoch Daten von seismischen Stationen an verschiedenen Standorten kombiniert, lässt sich der Erdbebenherd mit hoher Genauigkeit berechnen.
Dies wird oft anhand einfacher Beispiele mit drei Stationen und geometrischer Triangulation erklärt.
Die moderne Seismologie verwendet jedoch Daten von wesentlich mehr Stationen und kombiniert die Ankunftszeiten von P- und S-Wellen mit Computermodellen und inversen Methoden.
Was richtet mehr Schaden an: P-Wellen oder S-Wellen?
Im Allgemeinen können S-Wellen stärkere Erschütterungen hervorrufen als P-Wellen.
Dies liegt unter anderem daran, dass ihre Scherbewegungen Strukturen zu stärkeren horizontalen oder vertikalen Bewegungen zwingen können.
Die Aussage lautet jedoch:
„S-Wellen verursachen die meisten Erdbebenschäden.“
ist nicht immer richtig.
Oberflächenwellen können bei großen Erdbeben eine viel größere Bedeutung erlangen.
Insbesondere:
Liebe Wellen
und
Rayleigh winkt
Sie bewegen sich nahe der Erdoberfläche und können Bodenbewegungen mit großer Amplitude erzeugen.
Rayleigh-Wellen können den Boden in eine elliptische Rollbewegung versetzen, ähnlich wie Meereswellen.
Liebeswellen erzeugen eine starke horizontale Seitwärtsbewegung.
Aus diesem Grund können Oberflächenwellen für einen erheblichen Teil der Gebäudeschäden bei schweren Erdbeben verantwortlich sein.
P-Wellen vs. S-Wellen vs. Oberflächenwellen
Es ist sinnvoll, die Hauptseismikwellen in drei grundlegende Gruppen einzuteilen.
P-Wellen
Sie sind die Schnellsten.
Sie reisen durch das Erdinnere.
Sie können Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase durchdringen.
S-Wellen
Sie sind langsamer als P-Wellen.
Sie reisen auch durch das Erdinnere.
Sie können sich nur durch Feststoffe hindurch bewegen.
Oberflächenwellen
Sie fliegen nahe an der Erdoberfläche entlang.
Sie sind im Allgemeinen langsamer als P- und S-Wellen.
Allerdings können sie große Amplituden aufweisen und in besiedelten Gebieten schwere Schäden verursachen.
Eine vereinfachte Ankunftsreihenfolge während eines Erdbebens kann daher wie folgt geschrieben werden:
P → S → Oberflächenwellen
Reale Seismogramme sind komplexer. Wenn seismische Wellen mit Grenzflächen im Erdinneren interagieren, können sie reflektiert, gebrochen werden und viele verschiedene seismische Phasen erzeugen.
Wie enthüllten P- und S-Wellen die innere Struktur der Erde?
Eine der beeindruckendsten Anwendungen seismischer Wellen besteht darin, dass sie uns ermöglichen, Teile der Erde zu erforschen, die Menschen noch nie physisch erreicht haben.
Die tiefsten jemals gebohrten Bohrlöcher sind winzig im Vergleich zum Erdradius.
Die Entfernung von der Erdoberfläche zum Erdmittelpunkt beträgt etwa 6,371 Kilometer.
Dennoch wissen Wissenschaftler sehr viel über:
- die Kruste,
- den Mantel,
- der äußere Kern,
- der innere Kern.
Einer der Hauptgründe sind seismische Wellen.
In gewisser Weise erzeugen große Erdbeben einen natürlichen Ultraschall des Planeten.
Wissenschaftler untersuchen, welche seismischen Wellen verschiedene Stationen erreichen, wo sie verschwinden, wo sich ihre Geschwindigkeiten ändern und wie sie sich auf ihrem Weg durch die Erde biegen.
Aus diesen Beobachtungen können sie Rückschlüsse darauf ziehen, was sich tief unter der Oberfläche befindet.
Wie haben S-Wellen gezeigt, dass der äußere Erdkern flüssig ist?
Bei einem starken Erdbeben können sich S-Wellen durch den Erdmantel ausbreiten.
Doch wenn sie die Grenze des äußeren Kerns erreichen, ändert sich etwas.
Der äußere Kern ist flüssig.
Da sich S-Wellen nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten können, durchdringen sie auch nicht den äußeren Erdkern.
Daher gibt es Regionen auf der gegenüberliegenden Seite der Erde, in denen keine direkten S-Wellen registriert werden.
Diese Region ist als S-Wellen-Schattenzone bekannt.
Diese Beobachtung führte die Wissenschaftler zu einer wichtigen Schlussfolgerung.
Wenn die gesamte Erde fest wäre, hätten sich S-Wellen bis in den Erdkern ausbreiten können.
Aber sie taten es nicht.
Dies wurde zu einem der stärksten seismischen Beweise dafür, dass der äußere Erdkern flüssig ist.
Was ist die P-Wellen-Schattenzone?
Bei P-Wellen ist die Situation anders.
P-Wellen können sich durch Flüssigkeiten ausbreiten.
Wenn sie also den äußeren Erdkern erreichen, verschwinden sie nicht vollständig.
Wenn P-Wellen jedoch vom festen Mantel in den flüssigen äußeren Kern gelangen, ändern sich ihre Geschwindigkeit und Richtung erheblich.
Sie werden stark gebrochen.
Aufgrund dieser Brechung gibt es eine Region auf der Erdoberfläche, in der direkte P-Wellen fehlen oder stark reduziert sind.
Diese Region wird als P-Wellen-Schattenzone bezeichnet.
Durch die gemeinsame Untersuchung der Schattenzonen von P- und S-Wellen haben Wissenschaftler viel über die Struktur des Erdkerns gelernt.
Spätere Analysen verschiedener P-Wellen-Phasen halfen den Wissenschaftlern auch dabei, festzustellen, dass sich im Zentrum des Planeten ein fester innerer Kern befindet.
Wie nutzen Erdbebenfrühwarnsysteme P-Wellen?
Die hohe Geschwindigkeit der P-Wellen ist nicht nur eine akademische Tatsache.
Es kann einen lebensrettenden Vorteil bieten.
Wenn ein Erdbeben beginnt, breiten sich P-Wellen schnell vom Epizentrum weg aus.
S-Wellen und ein Großteil der stärkeren Erschütterungen breiten sich langsamer aus.
Frühwarnsysteme für Erdbeben nutzen schnelle Sensoren, um die ersten P-Wellen zu erkennen.
Das System kann dann:
- Die erste P-Welle erkennen.
- Beginnen Sie mit der Abschätzung des Erdbebenortes und der Stärke des Bebens.
- Senden Sie Warnmeldungen an Gebiete, in denen stärkere Erschütterungen erwartet werden.
Diese Systeme sagen keine Erdbeben voraus.
Das Erdbeben hat bereits begonnen.
Kommunikationssignale breiten sich jedoch viel schneller aus als seismische Wellen, sodass Menschen, die sich in einiger Entfernung vom Erdbebenherd befinden, mehrere Sekunden – und in manchen Fällen sogar Dutzende von Sekunden – Vorwarnung erhalten können.
In unmittelbarer Nähe des Epizentrums kann die Vorwarnzeit jedoch extrem kurz oder gar nicht vorhanden sein.
Können wir P- und S-Wellen sehen?
Nicht direkt.
Eine seismische Welle, die sich durch eine Gesteinsmasse ausbreitet, ist normalerweise mit dem menschlichen Auge nicht sichtbar.
Aber seine Auswirkungen lassen sich messen.
Hochempfindliche Instrumente, sogenannte Seismometer, zeichnen die Bodenbewegung auf.
Die so entstehende Aufzeichnung wird als Seismogramm bezeichnet.
Auf einem Seismogramm markiert die erste kleinere Bewegung oft das Eintreffen der P-Welle, gefolgt von einer stärkeren S-Wellenbewegung und später Oberflächenwellenenergie.
Mithilfe dieser Aufzeichnungen können selbst große Erdbeben noch von Stationen in Tausenden von Kilometern Entfernung erfasst werden.
Warum können sich P-Wellen durch Flüssigkeiten ausbreiten, S-Wellen aber nicht?
Diese Frage bietet eine der einfachsten Möglichkeiten, den Unterschied zwischen den beiden Wellen zu verstehen.
Eine P-Welle breitet sich durch die Kompression und Expansion von Material aus.
Flüssigkeiten sind komprimierbar und können Druckänderungen übertragen.
Daher können sich P-Wellen durch Flüssigkeiten ausbreiten.
Eine S-Welle versucht, das Material seitlich zu verformen.
Flüssigkeiten können dieser Art von Scherspannung nicht standhalten.
Daher kann sich die S-Welle nicht durch sie ausbreiten.
Dieser eine physikalische Unterschied half Wissenschaftlern dabei, festzustellen, dass der äußere Erdkern flüssig ist.
Häufig gestellte Fragen
Welche seismische Welle trifft zuerst ein?
Die P-Welle.
P-Wellen breiten sich schneller aus als S-Wellen.
Sind P-Wellen longitudinal oder transversal?
P-Wellen sind vorwiegend longitudinale Kompressionswellen . Die Teilchenbewegung verläuft parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle.
Sind S-Wellen Transversalwellen?
Ja. Bei S-Wellen erfolgt die Teilchenbewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.
Können sich P-Wellen durch Wasser ausbreiten?
Ja.
P-Wellen können sich durch Flüssigkeiten ausbreiten.
Können sich S-Wellen durch Wasser ausbreiten?
Nein.
S-Wellen können sich in Flüssigkeiten nicht ausbreiten.
Welche seismische Welle ist die schnellste?
Die P-Welle.
Welche seismische Welle verursacht mehr Schaden?
S-Wellen können stärkere Bodenbewegungen hervorrufen als P-Wellen, aber bei großen Erdbeben können Oberflächenwellen für einen Teil der schädlichsten Erschütterungen verantwortlich sein.
Werden P- und S-Wellen ausschließlich durch Erdbeben erzeugt?
Nein.
Explosionen, vulkanische Aktivitäten und einige große, vom Menschen verursachte Energiefreisetzungen können ebenfalls seismische Wellen erzeugen.
Fazit
Auf den ersten Blick scheinen P- und S-Wellen nichts anderes zu sein als zwei verschiedene Arten von Schwingungen, die durch ein Erdbeben erzeugt werden.
Tatsächlich bilden sie einen Teil des Fundaments der modernen Seismologie.
P-Wellen sind schneller und können sich durch Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase ausbreiten. Sie bewegen Material durch abwechselnde Kompression und Expansion in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Wellenausbreitung.
S-Wellen sind langsamer und können sich nur in Festkörpern ausbreiten. Sie bewegen Material senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.
Der Unterschied in ihren Geschwindigkeiten ermöglicht es Wissenschaftlern, Erdbebenherde zu bestimmen.
Das frühe Eintreffen von P-Wellen verschafft Erdbeben-Frühwarnsystemen wertvolle Sekunden.
Und die Unfähigkeit der S-Wellen, den flüssigen äußeren Erdkern zu durchdringen, half Wissenschaftlern zu verstehen, was tief im Inneren unseres Planeten existiert.
Der Mensch hat den Erdkern noch nie erreicht.
Wir haben von dort noch nie eine Gesteinsprobe mitgebracht.
Wir wissen aber, dass der äußere Kern flüssig und der innere Kern fest ist.
Einer der wichtigsten Gründe ist, dass wir die P- und S-Wellen hören können, die von starken Erdbeben durch den Planeten ausgesendet werden.
