Schacht

Infraschall und Kernwaffentests

Sehr tiefe Basstöne können Menschen nicht wahrnehmen – einen Nutzen vermögen sie aus diesen Schallwellen trotzdem zu ziehen. Denn anhand der als Infraschall bezeichneten Töne lassen sich Kernwaffentests aufspüren. Zur internationalen Kontrolle wurden überall auf der Erde Messstationen eingerichtet. Die zwei deutschen Stationen befinden sich im Bayerischen Wald und in der Antarktis.

Schallwellen mit Frequenzen unterhalb von 20 Hz, die der Mensch nicht hören kann, nennt man Infraschall. Derart tieffrequente Drucksignale wurden zum ersten Mal 1883 nach der Eruption des Krakataus (Indonesien) beobachtet. Weil die Frequenzen so niedrig lagen und die Eruption so stark war, breiteten sich die Schallwellen bis zu sieben Mal um die Erde aus und erreichten dabei eine Höhe von mehr als 100 km.

Infraschall und das Kernwaffenteststoppabkommen

Grafik. Weltkarte mit roten und blauen Dreiecken, gleichmäßig über die Erde verteilt.
Netz der Infraschallstationen

Die Fähigkeit, mit Hilfe von Infraschallmessungen Explosionen aufzuspüren, hat sich seit der Krakatau-Eruption deutlich weiterentwickelt. Der technische Fortschritt ist nicht der einzige Grund dafür. Auch das gesellschaftliche Interesse wuchs, vor allem während des ersten Weltkriegs und später wieder in der Ära der atmosphärischen Kernwaffentests. Mit dem begrenzten Atomwaffenteststoppvertrag 1963, der Kernsprengungen auf den Untergrund beschränkte, schwand allerdings das Interesse an Infraschall. Erst mit dem umfassenden Kernwaffenteststoppvertrag (CTBT - Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty) im Jahr 1996 erlebte die Infraschalltechnologie als Teil des Überwachungsverfahrens eine Renaissance.

Der CTBT sieht zur Überwachung der Atmosphäre ein weltweites Netz aus 60 Infraschallmessstationen vor, die geographisch gleichmäßig verteilt sind (Abbildung 1, Kasten 1). Jede Station besteht aus einer Anordnung von mindestens vier Elementen und erstreckt sich über einen Raum von ein bis drei Kilometern. So ähnlich wie bei einer Antenne ermöglicht dies die Peilung kohärenter Signale. Gegenüber Einzelsensoren bietet sich darüber hinaus der Vorteil, dass mögliche kleinräumige Störungen – Luftturbulenzen zum Beispiel – nicht fehlinterpretiert werden können. Im Wesentlichen ist es der Wind, der das Hintergrundrauschen bei der Messung beeinflusst; aus diesem Grund sind die Einzelelemente mit räumlichen Filtern ausgestattet, die eine Mittelung des Windfelds erlauben (siehe Kasten 2). Zusätzlich achtet man bei der Standortwahl auf natürlichen Windschutz – das kann zum Beispiel ein Waldstück sein.

Foto. Diverse Messgeräte auf Waldboden. Im Vordergrund Öffnung eines Schachts.
Messschacht im Bayerischen Wald

Deutschland beteiligt sich mit zwei Infraschallmessplätzen am internationalen Netzwerk: IS26 ist eine aus fünf Elementen bestehende Station im Bayerischen Wald, die seit 1999 in Betrieb ist (Abbildung 2 und 3). Sie war übrigens die weltweit erste der 60 Stationen. IS27 an der deutschen Neumayer-Forschungsstation in der Antarktis setzt sich aus neun Elementen zusammen. Während im Bayerischen Wald aufgrund der dichten Vegetation ideale Messbedingungen herrschen, sind bei IS27 die räumlichen Filter im Eis vergraben (siehe Abbildung 4). In beiden Fällen lässt sich das Hintergrundrauschen um etwa 30 dB gegenüber einer Messung auf freiem Feld verringern (wegen der logarithmischen Skala entspricht ein Minus von 6 dB einer Halbierung der Amplitude).

Wie breitet sich Infraschall in der Atmosphäre aus?

Nicht nur bei den Aufzeichnungsbedingungen spielt Wind eine Schlüsselrolle. Auch die Ausbreitung von Infraschall in der Atmosphäre wird weitgehend vom Wind gesteuert. Zusammen mit der Temperatur bestimmt die Windgeschwindigkeit in der Ausbreitungsrichtung die effektive Schallgeschwindigkeit. Weil die Temperatur meist mit der Höhe abnimmt, breitet sich der Schall tendenziell in die Atmosphäre aus. Er wird zur Erde zurück gebeugt, wenn die effektive Schallgeschwindigkeit in einer Luftschicht größer als an der Oberfläche ist. Dies kann durch einen Temperaturanstieg, eine Zunahme der Windgeschwindigkeit oder eine Kombination aus beiden Effekten erzeugt werden.

Foto. Auf dem Waldboden sind sternförmig dünne Rohre angeordnet, die an kleinen kastenförmigen Behältern münden.
Räumlicher Filter für die Infraschallmessung

Was die Windgeschwindigkeiten und -richtungen angeht, sind zwei Regionen in der Atmosphäre für die Infraschallausbreitung besonders wichtig. Zum einen der Strahlstrom unterhalb der Tropopause, der vom Temperaturunterschied zwischen Pol und Äquator in Verbindung mit der Corioliskraft hervorgerufen wird und sein Maximum im Winter der jeweiligen Halbkugel hat. Zum anderen die zonale stratosphärische Hauptzirkulation, die einen starken Luftstrom aus Osten in der Sommerhemisphäre erzeugt - und umgekehrt aus dem Westen im Winter. Die maximalen Windgeschwindigkeiten treten dabei in Höhen von etwa 60 km auf und sind im Winter mit mehr als 80 m/s am größten. Je nach den Windverhältnissen, die durch den Strahlstrom und die zonale stratosphärische Hauptzirkulation modifiziert werden, breiten sich die Wellen des Infraschalls unterschiedlich hoch und weit in der Atmosphäre aus.

Die Absorption des Schalls in der Luft nimmt mit steigender Frequenz zu. Für diese Dämpfung sind im Wesentlichen zwei Mechanismen verantwortlich: Transportprozesse im Gas und ein Entspannungsprozess durch die Wellenausbreitung. Insgesamt ist die Absorption proportional zum Quadrat der Frequenz. Aus diesem Grund ist der niederfrequente Infraschall noch in weitaus größeren Entfernungen messbar als der hörbare Schall. Vor allem der stratosphärisch geleitete Infraschall wird noch in großen Distanzen registriert.

Foto. Auf einer weißen Eisfläche sind Stangen und Rohre zu erkennen.
Messstation in der Antarktis

Abschließend sei erwähnt, dass die Messung von Infraschall neben dem CTBT auch noch andere Anwendungsgebiete hat. Bildlich gesprochen ist jede Infraschallmessstation ein Ohr an der Atmosphäre. Jedes ausgedehnte, bewegte Luftvolumen erzeugt Infraschall. Somit sind Infraschallquellen in der Regel groß und stark und umfassen ein breites Spektrum natürlichen und künstlichen Ursprungs, das weit über Explosionen hinausgeht. An dieser Stelle sei nur ein Beispiel genannt, das einen klaren wissenschaftlichen und zivilen Nutzen demonstriert: die Überwachung aktiver Vulkane. Ausbrüche von Vulkanen in entlegenen Regionen können mit Hilfe von Infraschall entdeckt und lokalisiert werden. Das liefert wertvolle Informationen für die Luftfahrt, für die Ascheemissionen ein ernsthaftes Risiko darstellen.

Wie der Teststopp kontrolliert wird

Insgesamt umfasst das internationale Überwachungsnetz für die Einhaltung des Teststoppvertrags 321 Stationen. Davon dienen 170 seismische Messanlagen der Überwachung in der Erde, elf hydroakustische Stationen sind für die Ozeane gedacht und 60 Infraschallstationen überwachen die Atmosphäre. Mit Hilfe der drei Wellenformtechnologien werden Explosionen detektiert und lokalisiert. Eine Unterscheidung zwischen konventioneller und nuklearer Sprengung ist allerdings unmöglich. Darum zählen zu dem Monitorsystem 80 Messstationen für radioaktive Isotope – 40 sind überdies mit Radioxenon-Messapparaturen ausgestattet, um einen Kernwaffentest zweifelsfrei zu identifizieren. Die Leistungsfähigkeit des Überwachungsregimes wurde erstmals anlässlich des nordkoreanischen Tests vom 9. Oktober 2006 demonstriert, obwohl das gesamte Netz noch nicht vollständig ausgebaut ist und vor allem in Ostasien Lücken aufweist. Der Test wurde präzise detektiert und lokalisiert, außerdem konnte er mithilfe einer Edelgasmessstation in Kanada eindeutig als nuklear identifiziert werden.

Feine Messung tiefer Schallwellen

Infraschall wird mit Hilfe so genannte Mikrobarometer registriert. Diese Instrumente messen nicht den absoluten Luftdruck, sondern die Schwankungen. Die Instrumente weisen eine Empfindlichkeit von etwa 0,1 mPa auf – dies entspricht nach der barometrischen Höhenformel einem Vierzigstel der Dicke eines Blattes Papier. In der Regel sind an den Mikrobarometern räumliche Filter angeschlossen. Sie haben die Form eines Hexagons oder einer Rosette, mit Einlässen an den Enden der Edelstahlrohre. Alternativ werden auch poröse Schläuche verwendet. Die flächenhafte Verteilung der räumlichen Filter, die je nach vorherrschender Windgeschwindigkeit Auslagen mit einer Länge von bis zu 50 m aufweisen, erlaubt eine direkte Mittelung des Luftdrucks und des Windfeldes.