Das Grollen von Gewittern kann dank einfacher vergrabener Glasfasern die Struktur des Bodens bis in etwa 100 Meter Tiefe sichtbar machen.
Donner lässt nicht nur die Luft vibrieren. Ein Teil seiner Energie erreicht den Boden und erzeugt dort schwache seismische Wellen. Forschende unter Leitung der Pennsylvania State University haben gezeigt, dass diese Vibrationen genutzt werden können, um zu untersuchen, was sich unter der Oberfläche befindet – ohne eine Explosion auszulösen oder auf ein Erdbeben zu warten.
Weg der Wellen bei der Entstehung eines durch Donner ausgelösten Erdbebens.
Die direkten akustischen Wellen des Blitzes (T1 und T2) koppeln sich an den Boden und die Umgebung und erzeugen sich ausbreitende Wellen sowie Oberflächenwellen. Die Summe all dieser Wellen bildet das beobachtete Wellenfeld des Donnerbebens.
Das Team nutzte etwa 4 km eines bereits unter dem Campus von University Park in Pennsylvania vergrabenen Telekommunikationskabels. Ein in die Faser gesendeter Laser ermöglichte es, winzige Verformungen des Kabels zu erkennen. Dieses verhielt sich wie eine lange Reihe von Sensoren, mit Messungen alle paar Meter und mehreren Hundert Messungen pro Sekunde.
Wenn ein Donnerschlag ertönt, erreichen seine Schallwellen den Boden an verschiedenen Stellen. Dort erzeugen sie Vibrationen, die die Forschenden „Donnerbeben“ nennen. Ihre Ausbreitung hängt von den Eigenschaften der durchquerten Schichten ab, wodurch sich die Struktur des Untergrunds ableiten lässt.
Die Forschenden analysierten zweieinhalb Jahre kontinuierlicher Aufzeichnungen. Sie wählten 458 hochwertige Ereignisse aus, die mithilfe von Blitzdaten überprüft wurden. Durch die Kombination zahlreicher Signale konnten sie seismische Wellen verfolgen, die sich nahe der Oberfläche ausbreiteten, und ein Bild des Geländes unter dem Campus rekonstruieren.
Dieses Bild reicht bis in etwa 100 Meter Tiefe. Es zeigt mehrere fragile Zonen, die zuvor nicht entdeckt worden waren. Einige davon entsprechen Verformungen, die an der Oberfläche durch Satellitenradar beobachtet wurden. Messungen aus Bohrungen und ingenieurwissenschaftlichen Untersuchungen dienten ebenfalls dazu, die Ergebnisse zu überprüfen.
Die Methode kann dort interessant sein, wo natürliche Erdbeben selten sind. Herkömmliche Techniken erfordern manchmal eigens eingesetzte seismische Ausrüstung oder künstliche Quellen. Hier liefert das Gewitter die Energie, während ein vorhandenes Telekommunikationskabel die Messung übernimmt, wodurch die Eingriffe vor Ort begrenzt werden.
In der Praxis könnte diese Technik dabei helfen, Risiken wie Senkungen oder Erdrutsche zu untersuchen. Sie könnte auch zur Suche nach Grundwasser beitragen, Bergbaugebiete überwachen oder schwer zugängliche Regionen erforschen. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch vom Vorhandensein von Gewittern und nutzbaren Glasfasern ab.
Die Forschenden wollen die Methode nun in größerem Maßstab und unter unterschiedlichen Wetterbedingungen testen.