Serie LabVIEW in der Praxis Anomalien im Erdmagnetfeld mit interaktivem Mess-System analysieren

In Japan, Frankreich, Deutschland und Amerika konnte nachgewiesen werden, dass Erdbeben in bestimmten Fällen mit der jeweiligen Dauer des Bebens korrelierte niederfrequente Anomalien im Erdmagnetfeld verursachen können. Diese werden erfasst, aufgezeichnet und ausgewertet. Im Rahmen eines Projektes soll untersucht werden, ob Erdbeben detektiert und wenn möglich vorherzusagen sind.

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Im Labor für Mikroprozessortechnik der Hochschule Niederrhein wurde ein auf LabVIEW basierendes flexibles Mess-System entwickelt, mit dem Erdmagnetfeldanomalien am jeweiligen Messort erfasst und aufgezeichnet werden können. Auch die Eigenschaften der unterschiedlichen magnetfeldsensitiven Sensoren lassen sich untersuchen.

Elektromagnetische Erscheinungen und Erdbeben wurden schon in den fünfziger Jahren in Zusammenhang gebracht. Die verwendeten Mess-Systeme waren jedoch extrem störanfällig, so dass sich die auf die Registrierung mechanischer Schwingungen ausgelegten Seismographen durchsetzen konnten.

Niederfrequente Erdmagnetfeldanomalien als Indikator?

Mit derartigen Massenoszillatoren können Erdbebenschockwellen weltweit aufgezeichnet werden, wobei durch Laufzeitmessungen aus drei verschiedenen Richtungen das Epizentrum zwar lokalisiert, aber nicht vorhergesagt werden kann.

In den letzten Jahren sind seismo-elektromagnetische Phänomene oder Magnetfeldanomalien aufgrund von Erdbeben zunehmend in den Mittelpunkt experimenteller Untersuchungen gerückt. Japan ist auf diesem Gebiet weltweit führend. Eine große Zahl an elektromagnetischen Beobachtungen mit eindeutiger Korrelation zu geologischen Falten, die unter Spannung stehen, unterstützen den Ansatz, ernsthaft danach zu suchen, ob sich Erdbeben in Form von niederfrequenten Erdmagnetfeldanomalien ankündigen.

Plattentektonik ist ein Hauptgrund für Erdbeben

Verantwortlich für die überwiegende Mehrzahl von Erdbeben sind die durch die Bewegungen der Ozean- und Kontinentalplatten verursachten Spannungen in den Gesteinsschichten der Erdkruste, die sich zumeist urplötzlich und völlig unerwartet durch riesige mechanische Energiemengen entladen können. Verursacht wird diese Plattentektonik durch thermische sowie gravitatorische Konvektionsströmungen aus heißem und kaltem Gesteinsmaterial innerhalb des Erdmantels, die ihrerseits — so die Arbeitshypothese einer kleinen internationalen Arbeitsgruppe um John Wilcoxen (USA), Manfred Geilhaupt (Deutschland), Konstantin Ivanov (Russland) und anderen — auf Magmaaktivitäten im Innern der Erde zurückzuführen sind.

Diese lokal unterschiedlichen Magmaaktivitäten in Form von turbulenten Strömungen aus elektrisch leitfähigem Material überlagern den globalen Geodynamoprozess, auf den die Entstehung und Aufrechterhaltung des Erdmagnetfeldes zurückgeführt wird (Bild 1). Es ist zu erwarten, dass diese chaotischen Störungen - ausgehend von einer riesigen thermodynamischen Energiequelle im Innern der Erde — keine harmonische, periodische Charakteristik zeigen wird, sondern vielmehr impulsartige Änderungen aufweist, die das Magnetfeld wiederkehrend in eine Richtung gehend verändern. Die Störung ist natürlich dort am größten, wo das Haupt-Magnetfeld der Erde erzeugt wird.

Felder breiten sich in Lichtgeschwindigkeit aus

Da die Ausbreitung elektromagnetischer Felder oder Magnetfeldstörungen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, ist zu vermuten, dass Magmaaktivitäten im Innern der Erde auf der ganzen Welt in Form von zeitlich begrenzten niederfrequenten Veränderungen des Erdmagnetfeldes beobachtbar sind und derartige Änderungen folglich ein globales und kein lokales Ereignis darstellen.

Ein durch eine Magmaprotuberanz im Innern der Erde ausgelöstes Beben müsste sich daher auch durch Veränderungen des Erdmagnetfeldes messtechnisch erfassen und mit den seismischen Messdaten korrelieren lassen. Hierzu ist ein weltweit umspannendes Netz von Messeinrichtungen zur Beobachtung und zum Vergleich von Magnetfeldanomalien notwendig, dessen Aufbau derzeit noch in den Kinderschuhen steckt.

Für die Hypothese, dass Erdbeben durch außergewöhnliche Magmaaktivitäten ausgelöst werden können, gibt es erste messtechnische Hinweise. So konnten während des Tsunami-Bebens im Dezember 2004 mit einem hochinduktiven Spulensystem in Tennessee/USA auffällige niederfrequente Änderungen des Erdmagnetfeldes aufgezeichnet werden (Bild 2), die insbesondere hinsichtlich der Dauer des Bebens mit den seismischen Aufzeichnungen korrelierten.

Besonders bemerkenswert war dabei, dass das Signal zeitlich gesehen bereits 57 Minuten vor Eintritt des Bebens beobachtet wurde, die mechanischen Schockwellen des Bebens bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 1000 km/h den Messort jedoch erst in stark gedämpfter Form nach einigen Stunden hätten erreichen können. Eine rein mechanische durch die gedämpften Schockwellenausläufer induzierte Bewegung des Mess-Systems musste als zu schwach angesehen werden. Sie konnte zudem auch nicht beobachtet werden.

Mess-System misst und analysiert Anomalien

Um die beschriebenen Ansätze und Arbeiten zu untermauern, wurde im Labor für Mikroprozessortechnik der Hochschule Niederrhein ein auf LabVIEW basierendes flexibles Mess-System entwickelt, das die Erdfeldanomalien misst und aufzeichnet. Es dient gleichfalls dazu, geeignete Spulenanordnungen zur Detektion von Magnetfeldanomalien der Erde zu untersuchen. Besonders wichtig, dass die Daten eindeutig interpretiert werden.

Erfasst und verarbeitet werden die analogen Signale eines speziellen Magnetfeldsensors (Coil), eines dreiachsigen Vergleichssensors (Magnetometer CXM 113), eines dreiachsigen Beschleunigungs-aufnehmers zum Erfassen lokaler Schwingungen am Messort und die digitalen Signale eines GPS-Empfängers für die Ableitung der Zeitbasis und der geografischen Ortskoordinaten des Messortes. Die zu untersuchenden Phänomene liegen unterhalb 20 Hz und erstrecken sich im Ereignisfalle nur über einige Minuten. In Ausnahmefällen können Beben allerdings auch bis zu drei Stunden andauern.

Messdaten werden via USB übertragen

Die Aufnahme der Messdaten erfolgt mit den USB-Modul USB-6009. Es bietet die Möglichkeit, die Sensoren auch mit einem mobilen Rechner zu verbinden, so dass sich ein leicht transportables Mess-System ergibt. Die Experimente sollten an Messorten mit möglichst geringer mechanischer Schwingungsneigung und mit möglichst geringem elektromagnetischen Störpotenzial durchgeführt werden.

Mit einer einstellbaren Wiederhol- bzw. Messrate wird jeweils ein komplettes Frequenzspektrum der jeweiligen Sensorsignale erfasst und sowohl als Waterfall-Plot entlang der Zeitachse als auch als Amplitudenspektrum angezeigt und für eine Offline-Auswertung aufgezeichnet. Werden Erdbebensignale an einem geeigneten Orten gesucht, fallen vor allem Daten an, die dem Nullrauschen entsprechen. Die interaktive Software enthält u.a. eine Peak Detection. Diese automatische Maximumerkennung des Hauptmagnetfeldsensorsignals findet besondere Ereignisse in den Messsignalverläufen, die näher untersucht werden sollten.

Überwachen des Schwellwertes

Dazu wurde im Eingabefeld Peaklevel die Grenze eingegeben, ab der ein Wert auf ein mögliches Ereignis hindeuten kann. Diese Grenze wird in der zugehörigen grafischen Anzeige durch eine farbige horizontale Linie visualisiert. Übersteigt das Hauptmagnetfeld-Sensorsignal den vorgegebenen Schwellwert, werden Datum und Uhrzeit sowie der diesem Ereignis zugeordnete Schwellwert in einer Ereignisliste aufgenommen. Ein neues Ereignis kann frühestens nach Ablauf einer einstellbaren Abklingzeit erfasst werden.

Ist mindestens ein Eintrag in der Ereignisliste vorhanden, können durch Klicken auf den Eintrag alle der zeitlichen Kontrolle zugeordneten Cursors an die Stelle der Plots bewegt werden, die zu dem Ereignis passen. Die interaktive Software ist vollständig in LabWIEW unter Anwendung des im Mikroprozessorlabor der Hochschule Niederrhein entwickelten Automatenkonzeptes realisiert.

Flächendeckendes Netz aus Mess-Stationen notwendig

Das entwickelte System ist größtmöglich flexibel. Es existieren zwei gleichwertige Messplätze, mit denen an den beiden Hochschulstandorten Krefeld und Mönchengladbach erste Experimente und Messungen ermittelt wurden. Die physikalische Interpretation der Ergebnisse und Beobachtungen im Hinblick auf die zu untersuchenden Phänomene ist relativ schwierig, da die beobachteten Änderungen des Erdmagnetfeldes auch natürlichen Phänomenen wie Gewitter oder Sonnenwinde (Magnetstürme) zugeordnet werden können und daher mit entsprechenden Beobachtungen dieser Phänomene korreliert werden müssen.

Die Suche nach geeigneten Signalmustern, den so genannten Fingerprints zur Erdbeben-Detektion und -Vorhersage aufgrund von Erdmagnetfeldanomalien setzt ein flächendeckendes Netz von Messstationen voraus, um dessen Aufbau sich die Arbeitsgruppe derzeit bemüht.

Weiterführende Literatur:

[1] VFL/LF Radio Sounding of Ionospheric Pertubations Associated with Earthquakes, Masashi Hayakawa (Department of Electronic Engineering And Research Station on Seismo Electromagnetics, The University of Electrocommunication, Tokyo, Japan), Sensors 2007, 7, 1141-1158

[2] Preseismic ULF effect and possible interpration, Oleg A. Molchanov, Alexander Yu. Schekotov, Eugeniy Fredorov Gennady G., Belyaev, Mary S. Solovieva and Masashi Hayakawa Annals of Geophysics, Vol. 47, N. 1. February 2004

[3] Electric currents streaming out of stressed igneous rocks- A step towards understanding pre-earthquake low frequency EM emission, Friedmann Tl Freund, Akihiro Takeuchi, Bobby W. S. Lau Physics and Chemistry of the Earth 31 (2006) 389-396

*Norbert Dahmen, Daniel Schwarz und Georg Toszkowski arbeiten am Fachbereich Elektrotechnik u. Informatik der Hochschule Niederrhein in Krefeld. Manfred Geilhaupt ist am Fachbereich Textil- und Bekleidungstechnik der Hochschule Niederrhein in Krefeld angestellt.

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