Wetenschappers kijken ogen uit

Kees Floor, Natuurwetenschap en Techniek, maart 2005.

'Meer meetgegevens graag', verzuchtte Lori A. Dengler nog in maart vorig jaar. De geofysicus werkt met haar collega's op de Humboldt State University in Alasaka aan risicokaarten voor tsunami's. Binnen een jaar werd ze op haar wenken bediend. Op 26 december 2004 richtte een tsunami voor het eerst sinds minimaal vijfhonderd jaar grote verwoestingen aan langs de kusten van de Indische Oceaan. Ze is niet de enige die halsreikend naar de registraties uitkijkt. 'Fascinerend; dit komt bijna nooit voor. Ook wij seismologen kijken onze ogen uit, al is het wrang dat we op deze manier aan onze informatie moeten komen', zegt Hein Haak. 'De aarde kwam over zo'n groot gebied in beweging, dat het begrip epicentrum zijn betekenis verliest', uit het hoofd seismologie van het KNMI in De Bilt zijn verwondering (figuur 1). De activiteit van de zeebeving strekte zich namelijk uit over een gebied van 1200 km., meer dan bij de zwaarste aardbeving van de laatste honderd jaar, die van 1960 in Chili. Vanaf het punt waar de breuk begon, trok het scheuringproces met een snelheid van 2,5 km/s naar het noordnoordwesten. Op 150 km. van het epicentrum kwam de aarde op een diepte van 7 tot 10 km. 20 meter of meer omhoog. 'De aardbeving van Roermond, met een sterkte van 5,8 op de schaal van Richter de zwaarste uit de Nederlandse recente geschiedenis, steekt daar maar magertjes bij af. Op bijna 20 km. diepte kwam de grond er over een gebied met een diameter van ongeveer 4 km. 20 cm omhoog', aldus Haak.
Ook Rinus Wortel - zich als zo vele aardwetenschappers ergerend aan het woord zeebeving, omdat het de aarde is die beeft, - is onder de indruk van de beving van Noord-Sumatra. 'Vooral de duur was uitzonderlijk', aldus de hoogleraar tektonofysica aan de Universiteit Utrecht. 'De brontijd was ongeveer 8 minuten. Er zijn slechts een of twee bevingen bekend met een brontijd van 5 minuten of meer. De lange brontijd is typisch voor het soort aardbevingen waarbij tsunami's verwacht mogen worden.'


Figuur 1. Omvang van het gebied van de aardbeving bij Noord-Sumatra van 26 december 2004 op basis van computersimulaties. De beving vond plaats op 18 km. diepte langs de breuklijn (vette zwarte lijn) tussen de Indo-Australische plaat (linksonder) en de Euraziatische schol. Het epicentrum van de beving is gemarkeerd met een zwarte ster. Rechts in beide beelden zijn de contouren van het noordwesten van Sumatra zichtbaar (dunne zwarte kromme); andere eilanden zijn op een zelfde manier ingetekend. In de rode, gele en groene gebieden (links) kwam de zeebodem omhoog; de blauwe tinten duiden op een zeebodemdaling. Langs gedeelten van de westkust van Sumatra traden bodemdalingen op van 1 m.; daardoor zijn delen van het kustgebied blijvend onder zeeniveau terechtgekomen. De beweging van de zeebodem in horizontale richting (rechts) bedroeg maximaal ongeveer 11 m.; de kust van Sumatra bewoog 3m. (Bron: Chen Ji, Seismologish Laboratorium, California Institute of Technology).

Figuur 2. a. Modelberekening van de golfhoogten van de tsunami van 26 december 2004, twee uur na de aardbeving die de tsunami opwekte. De golven breiden zich uit over de Indische oceaan en hebben zojuist India en Sri Lanka bereikt. De bolle kant van de golffronten wijst in westelijke richting.
Figuur 2b. Golfhoogten, 3 uur 36 minuten na de beving. Nu zijn ook teruggekaatste golven zichtbaar met de bolle kant naar het oosten. Bron: Commissariat à l'énergie atomique (CEA).
Terugkaatsing
Die tsunami's vormen het studieterrein van Wortel's collega Piet Hoekstra. Zijn vakgroep doet onderzoek aan kusten en rivieren. Zelf ging de Utrechtse hoogleraar ooit op Java op zoek naar de sporen die een tsunami in de bodem had achtergelaten na de ontploffing van de Krakatau in 1883. Hoekstra blijkt nu vooral geïmponeerd door de terugkaatsing van de tsunamigolven tegen de kusten van India en Sri Lanka (figuur 2). 'Door dat effect werd het strand van het Thaise Phuket tweemaal getroffen: eenmaal rechtstreeks door de directe golf en daarna opnieuw door de teruggekaatste golf.' Enthousiast, maar toch ingetogen toont hij de van internet geplukte animaties die het effect duidelijk laten zien. 'Deze modelberekeningen worden bovendien bevestigd door satellietmetingen', aldus Hoekstra.
Ook Ernst Schrama beschikt over hoogtemetingen vanuit de ruimte. 'Het was puur toeval dat er een aantal satellieten op de juiste plek en op de juiste tijd overkwam. Zo je al mag spreken van een "juiste" tijd', leeft hij met de slachtoffers mee. Schrama is hoofddocent Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft, waar ze al sinds 1980 het zeeniveau meten met satellieten. Twee uur na de aardbeving trok de Jason-satelliet over het rampgebied (figuur 3a). Vijf minuten later volgde de TOPEX-Poseidon, nog weer ruim een uur later de Envisat (figuur 3b). Al die satellieten kunnen hoogtebepalingen verrichten met radar.
Terugkaatsing van golven herkende tsunamikenner Hoekstra ook op veel kleinere schaal. 'Je ziet op een van de spectaculaire, uiterst gedetailleerde beelden van de commerciële Amerikaanse QuickBird satelliet een randgolf die gevangen blijft in de kustzone voor het strand van Kalutara op Sri Lanka en dan terugdraait naar de kust', licht hij figuur 4 toe.
Figuur 3. a. Resultaat van de radarhoogtemetingen met de Frans-Amerikaanse satelliet Jason-1, twee uur na de aardbeving. In het kaartje staat een spoor waarlangs de satelliet metingen heeft verricht. In de onderste grafiek staat de zeeniveauvariatie zoals waargenomen door de radarhoogtemeter en een modelvoorspelling van de tsunami. De tsunami breidt zich uit over de Indische oceaan en heeft zojuist India en Sri Lanka bereikt. De bolle kant van de golffronten wijst in westelijke richting.
Figuur 3b. Resultaat van de radarhoogtemetingen met de Europese satelliet Envisat, 3 uur 15 minuten na de beving. Nu zijn ook teruggekaatste golven zichtbaar met de bolle kant naar het oosten. Bron: NASA.


Boven: Kapen ontvangen meer energie dan de baaien.

Links: Figuur 4. Golven in de kustzone voor het strand van Kalutara op Sri Lanka. Datum: 26 december 2004. Satelliet: QuickBird. Bron: DigitalGlobe.

 

Breking
Zoals bij alle golfverschijnselen treedt er in de kustgebieden niet alleen terugkaatsing op maar ook breking. 'Die refractie herverdeelt de energie van de tsunami naar ondiepere delen en naar kapen; in baaien komt de klap naar verhouding minder hard aan', verklaart Hoekstra het verschil in schade en ravage tussen verschillende stukken kust. 'Gezamenlijk zijn terugkaatsing en breking verantwoordelijk voor de vorming van een muur van water, die zich met een snelheid van 10 tot 18 m/s over een tientallen of honderden meters brede kuststrook landinwaarts uitrolt. Daarbij ontstaat veel schade, maar onderschat vooral het effect van het naar zee terugstromende water niet. Meegevoerde brokstukken en puin geven als het ware nog een klap na.'
De herverdeling van energie blijkt niet de enige factor die bepaalt waar de schade optreedt. Satellietbeelden zoals van figuur 5 laten zien dat stranden daar meer te verduren hadden dan sommige uitstekende delen van het vasteland. 'Hoogteverschillen zijn ook van belang', volgens Tim Gubbels van Science Systems and Applications, Inc., uit Lanham, Maryland, USA. 'Daarnaast zijn vorm en diepte van de oceaanbodem, brekingseffecten, vegetatie en landgebruik factoren die verschillen in schade kunnen verklaren'.

 

Rechts: Figuur5. Kustlijn ten noorden van het vliegveld van Phuket, Thailand, ongeveer twee jaar voor (links) en enkele dagen na de tsunami. Het beeldveld is 9.8 x 27.6 km. De beelden zijn kunstmatig ingekleurd. De tsunami heeft de vegetatie deels verwijderd. Datum: 31 december 2004 (rechterbeeld). Instrument: ASTER. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS en U.S./Japan ASTER Science Team.

Links: Twee van de vele eigentrillingen van de aarde: 'breathing mode' (links) en 'football mode'.

Registraties
Terug naar bron: de aardbeving zelf. De trillingen die ze uitzond en die zich langs het aardoppervlak over de hele aarde verspreidden, waren ook in Nederland te meten. Haak: 'de seismografen van het KNMI in de Heimansgroeve in het Limburgse Geuldal sloegen 4 mm uit.' (figuur 6a). Wortel: 'de uitwijking van de seismometers op Fort Hoofddijk in het Utrechtse universiteitscentrum De Uithof bedroeg 6 mm.' Haak: 'Kijk je naar laagfrequente oppervlaktegolven, dan kwam de grond in Nederland zelfs 2 cm omhoog (figuur 6b). Overigens, doordat die bewegingen langzaam gaan, voel je ze niet.'
'De aarde blijft veel langer natrillen dan de eigenlijke beving duurt. Acht minuten beving blijken goed voor een meer dan een week trillende bodem in Nederland', vervolgt Haak. 'En dan hebben we het nog niet eens over de eigentrillingen van de aarde die seismologen oneerbiedig "breathing mode" en "football mode" noemen', vult Wortel aan (zie figuur). 'Eén zo'n trilling duurt respectievelijk 20 en 54 minuten, terwijl de trillingen van het gewone seismogram een periode hebben van slechts enkele seconden. Na de beving op het Russische schiereiland Kamchatka in 1952 werd het bestaan van eigentrillingen vermoed door de Amerikaanse seismoloog Hugo Benioff. Die beving staat met de recente aardbeving van Noord-Sumatra op een gedeelde vierde plaats in de lijst van zwaarste bevingen sinds 1900. Bij de aardbeving van 1960 in Chili, die de lijst aanvoert, werden ze voor het eerst aangetoond. En nu doen de 20-minuten trillingen zich weer voor; tot april van dit jaar zullen nog terug te vinden zijn in de meetgegevens', voorspelt Wortel.
Haak ging in zijn registraties direct op zoek naar de laagfrequente trillingen en vond ze beide. 'De football mode met een periode van 54 minuten werd voor het eerst in Nederland waargenomen', vertelt hij trots. 'We hebben de benodigde meetapparatuur al tien jaar in huis, maar moesten tot december 2004 wachten voor er een aardbeving optrad die sterk genoeg was om de hele aarde in trilling te brengen'.

Eigentrilling van de aarde, de zogeheten 'football mode'.

Figuur 6. Registraties van de aardbeving van Noord-Sumatra, 26 december 2004, door het KNMI. De seismometer is opgesteld in de Heimansgroeve, Geuldal, Limburg. De aarde bewoog volgens de normale registraties 4 mm. op en neer (a). Bij laagfrequente golven bedroeg de uitwijking 2 cm (b). Bron: KNMI.

Zware bevingen
Het gebied waar de beving van tweede kerstdag optrad, is seismisch zeer actief. Er schuiven daar namelijk twee delen van de aardkorst over elkaar heen. 'Dat gaat met een snelheid van 6 cm per jaar. Om zulke zware aardbevingen te krijgen, mag dat proces niet te gladjes verlopen,' legt Wortel uit. 'Juist als de overschuiving langdurig stagneert, bouwt zich meer spanning op, die zich tijdens de beving kan ontladen.'
Over dergelijke bevingen in Nederland maakt Haak zich geen zorgen; daar leent de ondergrond zich niet voor. Ook voor tsunami's langs de Nederlandse kust is hij niet bang: 'Aardbevingen bij IJsland of elders op de Midden-Atlantsiche rug ontberen de sterkte om tsunami's op te wekken. Daarvoor moet je rond de Middellandse Zee zijn of voor de kust van Portugal. Tijdens de beving van Lissabon in 1755 met een geschatte sterkte van 8,7, week de zee voor Lissabon achteruit om twintig minuten later met 30 m. hoge golven terug te komen. Deze tsunami heeft Nederland echter niet bereikt. Het Kanaal was kennelijk te nauw om de tsunami door te laten en de omweg rond de Britse Eilanden te groot.'
De enige mechanismen die hier een tsunami kunnen brengen, zijn de inslag van een meteoriet of een kolossale landverschuiving bij Noorwegen. Aan dat laatste is wel eens gerekend, weet Haak: 'De Noordzee is zo ondiep, dat een eventuele tsunami door wrijving met de bodem vrijwel al z'n energie kwijt zou raken. Een hoogte van meer dan een meter zit er daardoor niet in. Ook zou de snelheid teruglopen naar 20 km/h. Alle tijd dus om een waarschuwing te doen uitgaan', stelt Haak gerust.

De gebeurtenissen van tweede kerstdag 2004 hebben nu al een vloedgolf aan internetpublicaties opgeleverd. Die gaat zich volgens Wortel de komende weken en maanden uitbreiden naar de congressen en symposia waar de aardwetenschappers elkaar ontmoeten. Haak is ervan overtuigd dat de wetenschappelijke gemeenschap nog jaren blijft 'natrillen'.