Posted by: ctbtonewsroom | November 17, 2017

Waiting for the next bang

In an exclusive feature on CTBTO in this month’s P.M. magazine, physicist Michael Büker gives a detailed overview of how CTBTO is listening to the planet for signs of nuclear explosions, usings its seismic, infrasound, radionuclide and hydroacoustic stations. The six pages long piece features quotes from the Executive Secretary and also mentions that scientists are always searching for new ways to utilize this data; for volcano, tsunami and earthquake warnings or even analyzing the migration patterns of blue whales. In order to ensure the safety and continuity of this useful data, member states will have to get the Treaty to go into force. Read the full version on this month’s P.M. magazine.

Capture

“Warten auf den nächsten Knall”

Atombomben werden in einem nordkoreanischen Berg gezündet. Mon­sunregen überschwemmt Dörfer in Asien. Ein Tsunami zerstört ein Kernkraftwerk an der Küste Japans. Im Südpazifik ziehen Blauwale ruhig ihre Bahnen.

All diese Ereignisse haben eines gemeinsam: Sie wurden von einem weltumspannenden Netzwerk aus Sensoren registriert. An Hunderten Orten der Erde erfasst dieses Messnetz laufend seismische Schwingungen, besondere Umgebungsgeräusche und die Menge an freigesetzter Radioaktivität. Per Satellit werden die Daten zu einem Kontrollzentrum in Wien übertragen. In einem unscheinbaren Raum inmitten eines gigantischen Bürokomplexes hängen hier die Wände voller Bildschirme, Forscher analysieren den Datenstrom.

Betrieben wird das riesige Netzwerk von Messstationen nicht etwa von einer Forschungseinrichtung oder gar von Katastrophenschützern. Es sind auch nicht die Schnüffler eines Geheimdienstes, die hier die Welt überwachen. Es ist ein gemeinsames Projekt von 183 Ländern der Erde, die alle den »Vertrag über ein umfassendes Verbot von Nuklearversuchen«, kurz: »CTBT«, unterzeichnet haben.

Die Idee des 1996 ausgehandelten Regelwerks: Atomtests sind verboten, kein Land soll sie unentdeckt durchführen können. Zuständig für die Überwachung ist die eigens geschaffene CTBTO, eine ­Organisation mit Sitz in Wien. Im Auftrag aller Unterzeichner baut diese Behörde seit dem Jahr 2000 das Messnetz aus über 300 Stationen auf allen Kontinenten und Meeren auf. Es ist zu 90 Prozent fertig.

Vier Arten von Detektoren spielen dabei eine Rolle. Es gibt seismische Messgeräte für Schwin­gungen in der Erde und Infraschall-Stationen für Druckänderungen in der Luft. Radionuklid-Stationen spüren radioaktive Teilchen in der Luft auf, und eine vierte Sorte, die hydroakustischen Stationen, registriert Geräusche in Ozeanen. Keine größere Explosion an irgendeinem Ort der Welt entgeht diesem Superdetektor. Im Jahr 2006 kam es für das System erstmals zum Ernstfall: Nordkorea zündete eine Atombombe. Es war der erste von inzwischen sechs Atomtests des Landes, der letzte fand im September 2017 statt. Das Netz der CTBTO war 2006 gerade zur Hälfte aufgebaut und noch im Testmodus.

»Über 20 Stationen haben die Explosion damals registriert«, erinnert sich der damalige Datenchef, Lassina Zerbo. »Schon nach zwei Stunden hatten wir die ersten automatisierten Analysen vorliegen.«

Die Experten konnten die Explosion auf 20 Kilometer genau lokalisieren. Doch war sie stark genug für eine Atombombe? Nordkorea könnte ja auch sehr viel gewöhnlichen Sprengstoff gezündet haben. Den Beweis lieferten Luftuntersuchungen. Sie fanden auffällige Werte des radioaktiven Gases Xenon-133. Auch eine CTBTO-Station in Kanada registrierte das. Meteorologen verfolgten die Wind­richtung zurück: Die Wolke kam aus Nordkorea. Die Explosion stammte also von einer Atombombe.

Inzwischen behauptet Nordkorea gar, über Wasserstoffbomben zu verfügen: die stärkste bekannte Kernwaffe. Das Regime will sie im Januar 2016 und September 2017 getestet haben. Die Daten dieser ­Explosionen wurden natürlich von der CTBTO und weiteren Experten ausgewertet. Noch gibt es keinen Konsens, ob die Behauptung Nordkoreas zutrifft.

Lassina Zerbo ist heute der Leiter der CTBTO und Chef von 270 Mitarbeitern. Eigentlich müsste der energiegeladene Geophysiker aus Burkina Faso zufrieden sein: Der Vertrag zeigt die ­erwünschte Wirkung, seit 20 Jahren gibt es fast keine Atomtests mehr. Das Messnetz funktioniert. Es erkennt Atomexplosionen schnell und zuverlässig. Doch trotz dieser Erfolge steckt die CTBTO in Schwierigkeiten. Das Abkommen ist rechtlich noch nicht wirksam: Es fehlen die Ratifizierungen wichtiger Länder, darunter die der USA und Nordkoreas. Deshalb muss die CTBTO quasi mit einer Hand auf den Rücken gebunden arbeiten. Sie kann etwa keine In­spektionsteams durch die Welt schicken, um vor Ort Spuren von Atomexplosionen zu suchen.

Solche Inspektionen sollen ein Herzstück der Arbeit sein. Sie könnten Beweise liefern, falls eine unterirdische Explosion keine Stoffe in die Luft entlässt. So bleiben nur Übungen: Zuletzt trafen sich 2014 über 200 Experten in der Wüste Jordaniens, um einen Inspektionseinsatz zu simulieren.

Wegen der politischen Querelen darf die CTBTO es nicht einmal offiziell verkünden, wenn sie einen Atomtest erkannt hat. Die Wissenschaftler denken aber nicht im Traum daran, mit solchen Erkenntnissen im Ernstfall hinterm Berg zu halten. So kommen offizielle Statements zustande, die in fast ulkigem Wissenschaftskauderwelsch um den heißen Brei herumreden: »Wir haben seismische Signale und radioaktive Spuren gemessen, die mit der Hypothese vereinbar sind, dass es am 9. Oktober 2006 eine unterirdische Explosion nuklearen Ursprungs in Nordkorea gegeben haben könnte.«

Lassina Zerbo weiß, dass das albern ist. »Die Öffentlichkeit will wissen, was unsere Daten zeigen. Ich kann dann sagen: ›Was ist eins plus eins?‹ Das Ergebnis ist klar, doch ich darf auf keinen Fall selbst vorrechnen, dass es zwei ist!« Der Leiter der CTBTO ist entschlossen, nicht zu verzweifeln: »Ich hasse es zwar, dass wir seit 20 Jahren eine vorläufige Organisation sind. Aber es hilft nichts: Wir müssen es schaffen, relevant zu bleiben!«

Seine Strategie: der Welt zeigen, was die Organisation kann. Das Messnetzwerk muss für Wissenschaft, Politik und Bevölkerung einen erkennbaren Nutzen bieten. Dann, hofft Zerbo, kann die CTBTO ihren vorläufigen Status überstehen – bis die Diplomaten den Vertrag endlich formal in Kraft setzen.

Beispiel Katastrophenschutz: Ende 2004, als gerade ein Drittel der Stationen in Betrieb war, ­wütete einer der tödlichsten Tsunamis der Geschichte im Indischen Ozean. Hunderttausende Menschen starben, viele auch, weil es kein Frühwarnsystem gegeben hatte. Wenig später bekam die CTBTO einen neuen Auftrag: Relevante Messdaten sollen in Echtzeit mit allen Ländern ­geteilt werden, die von Tsunamis bedroht sind. Heute beziehen die Tsunami-Frühwarnzentren in 14 Staaten die Daten von 100 Stationen der Atomtest-Wächter.

Als der Tsunami von 2011 über die Ostküste Japans hereinbrach, war das System im Einsatz. Daten der CTBTO trugen dazu bei, dass Menschen gewarnt werden konnten. Doch dieser Tsunami löste auch eines der schwersten Atomunglücke der Geschichte aus. Im Kernkraftwerk Fukushima I kam es zu mehreren Kernschmelzen. Über die folgenden Wochen konnten Detektoren des Messnetzes die radioaktive Wolke verfolgen, die sich über dem Globus ausbreitete. Sie stellte sich außerhalb Japans glücklicherweise als harmlos heraus.

Im Februar 2013 explodierte dann ein Meteo­roid über der russischen Stadt Tscheljabinsk. Dutzende Menschen wurden verletzt, als die Druck­welle Scheiben bersten ließ. Infraschall-Stationen der CTBTO registrierten die Explosion um die halbe Welt. Auch große Vulkanausbrüche erzeugen ­solche untrüglichen Signale. Dank der CTBTO-­Daten ist heute besser als je zuvor bekannt, wie häufig Meteoroiden in der Erdatmosphäre zerbersten. Egal ob nachts oder am Tag, egal ob Meteoritengestein übrig bleibt oder nicht: Das »International Monitoring System« (IMS) der CTBTO bekommt alles mit. Tatsächlich kann das Messnetz alle ausreichend großen Explosionen in der Erdatmosphäre aufzeichnen, weil solche Ereignisse eine Änderung des Luftdrucks ver­ursachen, die sich mit Schallgeschwindigkeit in alle Richtungen ausbreitet. Die größte menschengemachte Explosion der Geschichte war übrigens der Atomtest der »Tsar Bomba« durch die Sowjetunion 1961. Ihre Druckwelle war noch nach Stunden messbar, als sie auf einer dritten Runde um die Welt lief.

Ständig arbeiten Forscher an neuen Ideen, um die Messstationen für Vorhersagen und Warnsysteme zu nutzen. Einer von ihnen ist Milton Garces, Geophysiker an der Universität von Hawaii, der auf Konferenzen im Hawaiihemd auftritt und Gesprächspartner entspannt mit »Aloha« begrüßt. Garces ist eine Kapazität auf seinem Gebiet: Er leitet das Infraschall-Labor in Kailua auf Hawaiis Hauptinsel. Dort arbeitet er an einem neuen Weg, die Luftfahrt vor Vulkanausbrüchen zu warnen.

Das Problem ist in Europa bekannt, seit 2010 der isländische Vulkan Eyjafjallajökull ausbrach. Seine Aschewolke war für Flugzeugturbinen gefährlich. Tagelang stand der Luftverkehr in weiten Teilen Europas still. Hätte man das Problem mit einer längeren Vorwarnzeit in den Griff bekommen? Vielleicht. Aber dafür müsste man erst einmal alle Vulkanausbrüche zuverlässig erkennen. Das ist nicht so einfach, wie es klingt: Es gibt viele Vulkane in unwirtlichen Gegenden, die unmöglich dauernd von Menschen vor Ort beobachtet werden können.

Schon heute kommen daher Satellitenbilder, seismische Messungen aus der Ferne und chemische Analysen der Luft in der Nähe von Vulkanen zum Einsatz, um bloß keinen Ausbruch zu verpassen. Doch jede dieser Methoden hat Schwächen, erklärt Garces: »Eine Wolkendecke kann verhindern, dass die Satelliten etwas erkennen. Chemische Messungen sind nicht immer und überall verfügbar. Seismische Signale sind hilfreich, aber sie können zweideutig sein: Bricht der Vulkan aus, oder bebt er nur?« Erdbeben können zwar ein Indiz für einen bevorstehenden Ausbruch sein. Aber nicht jedem Beben folgt eine Aschewolke. Sie genügen nicht als Anlass, um den Luftverkehr umzuleiten.

Deshalb will Milton Garces nun die Infraschall-­Messungen des CTBTO-Netzwerks mit ins Spiel bringen: »Es ist, als würden wir einen weiteren Sinn dazugewinnen. Wir sehen mit Satelliten, wir fühlen mit seismischen Daten, und wir riechen mit chemischen Messungen. Der Infraschall soll unser Gehör sein«, erklärt er.

Die Arbeit der CTBTO hat dafür den Grundstein gelegt: »Wir haben unsere Daten angesehen und erkannt: Hey, die Methode kann funktionieren. Die Sensoren sind wenige Tausend Kilometer voneinander entfernt, und Infraschall breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus. Wir können Vulkanausbrüche so binnen zwei Stunden zweifelsfrei erkennen.«

Auch Klimaforscher profitieren von Daten des Atomtest-Überwachungsnetzwerks. Dessen 80 Radionuklid-Stationen messen zum Beispiel auf der ganzen Welt die Konzentration des radioaktiven Isotops Beryllium-7 in der Luft. Es entsteht, wenn geladene Teilchen aus dem Sonnenwind auf die Erd­atmosphäre treffen und darin Atome von Stickstoff und Sauerstoff spalten. Der Clou: Es entsteht umso mehr Beryllium-7 in der oberen Erdatmosphäre, je stärker die Sonnenaktivität ist. Und je stärker sich Luftschichten der oberen Erdatmosphäre vermischen, desto mehr kommt davon am Erdboden an.

Forscher können somit Beobachtungen von Astronomie und Meteorologie verbinden: Wie viel mehr Beryllium-7 messen wir, wenn die Sonne aktiver ist? Welche Luftströmungen müssen dafür in der oberen Erdatmosphäre herrschen? Die Antworten auf diese Fragen sind wichtige Bausteine zum Verständnis des Weltklimas. Untersuchungen zeigen sogar: Messungen von Beryllium-7 könnten helfen, das Einsetzen des Monsunregens an bestimmten Orten vorherzusagen – für die Menschen in betroffenen Regionen wäre das ein Segen.

Meteorologen wissen nämlich: Der Monsunzeit gehen bestimmte lokale Änderungen von Luftdruck, Temperatur und Windrichtung voraus. Erste Untersuchungen haben nun einen tagesaktuellen Zusammenhang zwischen der Konzentration von Beryllium-7 am Erdboden und dem Eintreten dieser Bedingungen angedeutet.

Naturkatastrophen zu verfolgen ist aber längst nicht die einzige Stärke des Netzwerks von Messstationen. Forscher vieler Disziplinen können den Datenschatz für ihre Arbeit nutzen. Zu ihnen gehört Tracey Rogers aus Australien. Sie verfolgt mithilfe der hydroakustischen IMS-Stationen Blauwale auf ihren Wanderungen über die ganze Südhalbkugel. Die Stationen zeichnen den Schall auf, der sich in den Ozeanen besonders schnell und weit ausbreitet.

»Früher konnten wir nur einzelne Wale aus Flugzeugen beobachten und mit Sensoren versehen, oder wir haben Sonarbojen aus Schiffen abgesetzt«, erklärt die Wissenschaftlerin. »Das war irrsinnig teuer und hat uns trotzdem nur winzige Ausschnitte des Ozeans für kurze Zeit gezeigt.«

Rogers interessiert sich aber für die ganz große Perspektive: Wie reagiert die weltweite Blauwal­population auf die Erwärmung der Ozeane? Welchen Rhythmen folgen ihre langen Wanderungen? Diese Fragen verlangen nach stetigen Beobachtungen über Jahre. Elf hydroakustische Stationen ge­hören zum weltweiten IMS-Netzwerk, vier davon zeichnen Geräusche im Pazifik auf, drei liegen im Indischen Ozean.

»Mit solchen Daten können wir Blauwale über große Entfernungen verfolgen. Glücklicherweise stoßen sie ständig charakteristische Rufe aus, die einfach zu orten sind«, erzählt Tracey Rogers. Dabei stellte sich etwa heraus, dass eine vor Neuseeland heimische Blauwalpopulation oft an der Ostküste Australiens vorbeizieht. »Sydney und Melbourne sind riesige Küstenstädte, doch traditionell gab es hier keinen Walfang. Daher hatten wir keine Ahnung, dass ganz in der Nähe Blauwale wandern!«

Amüsiert ergänzt Rogers: Die Neuseeländer würden neuerdings behaupten, alle Blauwale vor Australien seien eigentlich ihre – und heizen so die freundliche Rivalität beider Länder an.

Tracey Rogers ist vor allem vom praktischen Nutzen ihrer Arbeit begeistert: Seit zwei Jahren wird sie als Expertin zur Internationalen Walfangkommission eingeladen. Die nutzt ihre Daten, um die Erholung der Blauwalbestände zu untersuchen. Sie ­erlauben es zum Beispiel, die vom Aussterben bedrohten Antarktischen Blauwale von anderen, weniger stark bedrohten Unterarten zu unterscheiden. »Als Akademiker machen wir ja oft ziemlich abgehobene Arbeit. Für mich ist es eine tolle Abwechslung, etwas von praktischem Nutzen beizutragen!«

Die CTBTO mag politisch in der Klemme stecken. Doch ihr Messnetz liefert Daten für viele Zwecke. Wenn sich die Regierungen der Welt durchringen können, den CTBT-Vertrag in Kraft zu setzen, wäre die Zukunft dieser Datenquelle gesichert. Die Überwachung des Verbots von Atomtests gibt es ­gratis obendrauf.

Die vollständige Version des Artikels finden Sie hier.

Text: Michael Bükner.

 


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