Was einen Tsunami mit einer Algenblüte verbindet

Forscher suchen nach Methoden, um die Bedrohungen durch extreme Ereignisse besser abschätzen zu können. Tsunamis, Börsenblasen oder Blackouts – sie alle lassen sich durch dieselben Theorien beschreiben.

Feedback

Tragen Sie mit Hinweisen zu diesem Artikel bei oder melden Sie uns Fehler.

Universität Oldenburg, Institut für Physik. Gerade hat Nico Reinke seinen Windkanal in Gang gesetzt. Es ist ein spezielles Exemplar: Vor dem Gebläse öffnen und schliessen sich mehr als 100 quadratische Klappen im Sekundentakt und verpassen dem künstlichen Wind kurze Schläge. Damit machen sie den Luftstrom ähnlich unstet, wie es ein richtiger Sturm in der Natur ist: Ruhigeren Phasen folgen abrupte, kräftige Böen.

Nun setzt Reinke das 50 Zentimeter hohe Modell eines Windrads in den Kanal. Erst dreht es sich langsam. Doch dann rotiert es plötzlich doppelt so schnell – es wurde von einer heftigen Böe getroffen. Im Labor richten solche Miniwindstösse keine Schäden an. Anders in der realen Welt: «Die Windenergie-Branche hat extreme Böen lange unterschätzt», sagt Reinke. «Doch wie es aussieht, sind es gerade die abrupten Windstösse, die den Rotoren besonders zusetzen.» Sie lassen das Material vorzeitig ermüden, dadurch müssen die Anlagen teuer repariert oder sogar ausgetauscht werden. Reinkes Versuche im Windkanal helfen, haltbarere Windräder zu konstruieren, zum Beispiel mit Rotorblättern, die sich bei Starkböen automatisch aus dem Wind drehen.

Es fehlen die Daten

Aus Sicht der Wissenschaft ähnelt eine Windböe einem Tsunami, einer Algenblüte oder einer Monsterwelle – alles sind Extremereignisse. «Sie geschehen völlig unvorhergesehen, nicht mal die Experten rechnen mit ihnen», sagt Farrokh Nadim, Professor am Geotechnischen Institut der Universität Oslo. «Und ihre Folgen sind oft katastrophal.» Neben den natürlichen Extremereignissen ist da die Zivilisation, die ihre eigenen Katastrophen generiert, etwa wenn eine Finanzkrise binnen Tagen ganze Vermögen vernichtet oder ein Blackout den Strom in einer Metropole lahmlegt.

Für Forscher sind diese Phänomene nur schwer zu durchschauen. Der Grund: «Da Extremereignisse meist sehr selten auftreten, haben wir nicht genügend Daten, um vernünftige statistische Aussagen treffen zu können», betont Nadim. Hinzu kommt, dass der genaue Ablauf der Katastrophen meist komplexen Regeln folgt. Zuweilen genügen kleinste Ursachen, um enorme Wirkungen zu entfalten, das ist das Prinzip der Chaostheorie. Zwar scheint es aussichtslos, Extremereignisse zielsicher vorherzusagen. Dennoch wagen sich die Forscher an diese Herkulesaufgabe und feiern nun erste Erfolge.

So hat Ravindra Amritkar vom Physikalischen Forschungslabor im indischen Ahmedabad eine Methode entwickelt, mit der sich schwere Stromausfälle besser verstehen lassen. Basis ist eine Methode namens Random Walk, auf Deutsch «Zufallsbewegung». «Wir bilden das Stromnetz im Computer nach», erläutert Amritkar. «Es besitzt Knoten, die miteinander verbunden sind, wobei manche Knoten viele Verbindungen haben, andere nur wenige.»

Wird die Simulation gestartet, laufen virtuelle Akteure nach dem Zufallsprinzip von Punkt zu Punkt: Bei jedem Knoten entscheiden sie neu, in welche Richtung sie weiterlaufen. «Mit dieser Methode können wir das Verhalten eines Stromnetzes überraschend genau simulieren», sagt Amritkar. «Wir haben entdeckt, dass das Netz zusammenbricht, wenn 15 Prozent der Knoten ausfallen.» Ab dieser Schwelle setzt ein Dominoeffekt ein und legt rasend schnell weitere Knoten lahm, bis hin zum kompletten Blackout. Eine interessante Information für Energiekonzerne: Mit ihr könnten sie genauer abschätzen, wann in ihrem Netz ein akuter Blackout droht.Auch Algenblüten ufern zuweilen aus. In manchen Jahren explodieren die Vorkommen. Handelt es sich um giftige Algen, können die Blüten grosse Schäden anrichten: Fische fressen die Gifte und gehen qualvoll zugrunde. Um zu verstehen, wie extreme Algenblüten zustande kommen, hat Jan Freund vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres der Uni Oldenburg ein mathematisches Modell entwickelt. Es beschreibt das Wechselspiel der Alge mit ihren Fressfeinden, etwa bestimmten Krebsarten. «Meist halten sie die Algenart niedrig», so Freund. «Doch brechen die Vorkommen der Fressfeinde aus irgendwelchen Gründen ein, kann die Alge nach oben schiessen und eine Blüte ausbilden.»Freunds Computersimulation liefert im Ansatz ähnlich ausgeprägte Algenblüten, wie sie in der Realität vorkommen. Womöglich lässt sich daraus ein verlässliches Prognoseverfahren entwickeln. In Jahren, in denen eine Blüte droht, könnte man dem Gewässer einen Fressfeind zusetzen und die Algeninvasion damit stoppen.

Epilepsieanfälle voraussehen

Auch im Kleinen gibt es Extremereignisse – zum Beispiel ein epileptischer Anfall. «Er ist für den einzelnen Patienten ebenso extrem wie ein Erdbeben für viele Menschen», betont Klaus Lehnertz von der Klinik für Epileptologie der Universität Bonn. Bei einem Anfall feuert ein Teil der Neuronen im Hirn unvermittelt synchron. Den Grund dafür kennen die Experten zwar noch nicht. Dennoch fahnden sie nach Zeichen im Gehirn, die auf eine bevorstehende Attacke hindeuten. Dazu nehmen die Forscher die Hirnströme von Epilepsiepatienten auf und analysieren, ob Signale gehäuft auftreten oder in bestimmten Abständen aufeinanderfolgen. Mit dieser als «Zeitreihenanalyse» bezeichneten Methode lassen sich Vorzeichen aufspüren, die dem Anfall vorangehen. «Solche Vorboten können wir heute 20 bis 30 Minuten vor dem Anfall erkennen, bei manchen Patienten sind es sogar Stunden», sagt Lehnertz. «Allerdings ist noch unklar, wie verlässlich die Methode ist.»

Dennoch wagt sich das US-Unternehmen Neuro Vista mit einem Frühwarnsystem vor, das es bereits an einigen Patienten testet. Ihnen wurden Elektroden unter der Schädeldecke implantiert, die laufend die Hirnströme messen. Ein Prozessor analysiert das EEG und warnt mit farbigen Leuchten vor einem bevorstehenden Anfall, sodass sich die Patienten darauf einstellen können.

Bei ihren Arbeiten stossen die Experten immer wieder auf einen verblüffenden Umstand: Zwar haben Blackouts, Algenblüten, Börsenblasen, Tornados oder Tsunamis auf den ersten Blick nicht viel gemein. Doch genaueres Hinsehen zeigt, dass sich viele Extremereignisse oft mit denselben Theorien beschreiben lassen. Das Extreme, so scheint es, fusst auf universellen mathematischen Wurzeln. «Es ist faszinierend, dass es so viele Gemeinsamkeiten gibt», sagt Klaus Lehnertz. «Methoden, die ursprünglich in der Mathematik und der theoretischen Physik entwickelt wurden, gelten für die unterschiedlichsten Systeme.» So können Zeitreihenanalysen nicht nur die Hirnströme von Epilepsiepatienten nach Vorboten durchforsten, sondern auch Muster bei Aktienkursen, Winddaten oder seismischen Signalen sichtbar machen.

Allerdings sind die Extremprognosen meist mit einigen Unsicherheiten behaftet. Bei Erdbeben sind die Unwägbarkeiten sogar so gross, dass verlässliche Prognosen unmöglich scheinen. «Präzise vorauszusagen, wann und wo genau ein Extremereignis passiert, dürfte eher selten gelingen», meint Farrokh Nadim. «Dennoch helfen die neuen Verfahren, Risiken besser abzuschätzen und dadurch die Folgen von Katastrophen zu minimieren.» (Tagesanzeiger.ch/Newsnet)

Erstellt: 29.10.2013, 08:26 Uhr

Artikel zum Thema

Katastrophen verändern Entfernungen

Hintergrund Eine neue Studie zeigt, wie Vulkanausbrüche, Terroranschläge und Stürme die Luftfahrt durcheinanderbringen und viel Zeit kosten. Mehr...

«Es droht eine ähnliche Katastrophe»

Schon innerhalb von 5 Jahren sei eine neue Finanzkrise wahrscheinlich, sagt Simon Johnson, MIT-Professor und früherer Chefökonom des IWF. Die Lobbyarbeit der Banken hätte wirksame Vorkehrungen verhindert. Mehr...

Dramatische Katastrophenszenarien für Megacitys

Ballungsräume wachsen rasant. Swiss Re hat die grössten Gefahren durch Naturkatastrophen in Städten ermittelt, und wie viele Menschen wo gefährdet sind. Auch die Schweiz ist darunter, vor allem Zürich. Mehr...

Die ETH will Menschen verstehen

Die EU hat zwar das Projekt im Wettkampf um Forschungsgelder Anfang des Jahres nicht berücksichtigt. Trotzdem gibt Dirk Helbing, Professor für Soziologie an der ETH Zürich, nicht auf. Er steht für das Projekt Future ICT. Er will damit die Schwächen des menschlichen Verhaltens per Computer simulieren. Die Maschine soll die Kettenreaktionen und Feedbacks simulieren, die durch Entscheide des Menschen verursacht werden.

Die Idee dahinter ist, dass sich so extreme Ereignisse wie die Finanzkrise oder Panik- und Gewaltausbrüche besser beherrschbar machen lassen. Was die Forscher meinen, lässt sich an einem Projekt aufzeigen, das diesen Sommer publik wurde: Forscher der ETH Zürich, des Institut des Hautes Etudes Internationales et du Développement (IHEID) in Genf und der Hebrew University of Jerusalem entwickelten ein Computermodell, das mithilfe von empirischen Daten Szenarien von möglichen Gewaltausbrüchen zwischen Palästinensern und Juden in den Quartieren Jerusalems berechnete.

Das Modell könnte für Friedensverhandlungen hilfreich sein. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «American Journal of Political Science» publiziert. Die grössten Chancen, um die Gewalt einzudämmen, liegen in einer Segregation, wie sie im Szenario «Rückkehr zu den Grenzen von 1967» angenommen wird. (ml)

Die Redaktion auf Twitter

Stets informiert und aktuell. Folgen Sie uns auf dem Kurznachrichtendienst.

Paid Post

So können Hausbesitzer viel Geld sparen

Hausbesitzer, die auf lange Sicht Energie und dadurch Geld sparen möchten, sollten Ihr Heim jetzt auf Wärmeverluste überprüfen.

Kommentare

Die Welt in Bildern

Tischlein deck dich: Ultra-orthodoxe Juden der Nadvorna-Dynastie begehen in Bnei Brak, Israel, das Neujahrsfest der Bäume. (21. Januar 2019)
(Bild: Oded Balilty/AP) Mehr...