Die wissenschaftliche Beschreibung des katastrophalen Bergsturzes vom 7. Februar 2021 im indischen Dhauli-Ganga-Tal liest sich wie ein gerichtsmedizinischer Bericht. Ein Bergsturz und die anschließende Flut hatten mindestens hundert Menschen getötet und zwei Wasserkraftwerke zerstört. In der Fachzeitschrift Science (Ausgabe vom 1. Oktober) zeichnen Forschende des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) gemeinsam mit Kolleg*innen des Nationalen Geophysikalischen Forschungsinstituts Indiens (NGRI) die Katastrophe anhand der Daten eines Netzes von Seismometern Minute für Minute nach. Dem Team zufolge könnten seismische Netzwerke genutzt werden, um ein Frühwarnsystem für Hochgebirgsregionen einzurichten.

Obwohl der endgültige Auslöser des massiven Bergsturzes, der in einer Höhe von mehr als 5500 Metern begann, nach wie vor ungeklärt ist, ist eines sicher: Am Sonntag, 7. Februar 2021, um kurz vor halb elf Uhr vormittags, begannen mehr als 20 Millionen Kubikmeter Eis und Gestein ins Tal des Ronti Gad zu stürzen. Seismometer registrierten das Signal um 10:21 Uhr und 14 Sekunden Ortszeit. 54 Sekunden später traf die Masse in 3730 Metern Höhe auf den Talboden und verursachte einen Aufprall, der einem Erdbeben der Stärke 3,8 entsprach. Im Tal mobilisierte die Mischung aus Gestein und Eis Schutt und zusätzliches Eis, das sich - vermischt mit Wasser - als gigantischer Murgang durch die Täler der Flüsse Ronti Gad und Rishi Ganga wälzte. Erstautorin Kristen Cook vom GFZ schätzt, dass die Masse zunächst mit fast 100 Kilometern pro Stunde bergab schoss; nach etwa zehn Minuten verlangsamte sich die Bewegung auf knapp 40 Kilometer pro Stunde.

Um 10:58 Uhr und 33 Sekunden erreichte die Flut eine wichtige Straßenbrücke bei Joshimath. Innerhalb von Sekunden stieg das Wasser dort um 16 Meter. Dreißig Kilometer weiter unten im Tal verzeichnete die Pegelstation Chinka einen Sprung des Wasserstandes um 3,6 Meter, und weitere sechzig Kilometer weiter stieg der Pegel noch um einen Meter.

Auf der Grundlage der von den seismischen Stationen aufgezeichneten Bodenerschütterungen identifizierten Forschende aus den drei GFZ-Sektionen Geomorphologie, Erdbebengefährdung und dynamische Risiken sowie Erdbeben- und Vulkanphysik gemeinsam mit den Kolleg*innen des NGRI drei verschiedene Phasen der Flutkatastrophe. Phase 1 war der Bergsturz und sein massiver Aufschlag auf den Talboden. Es folgte Phase 2 mit der Mobilisierung enormer Materialmengen – Eis, Geröll, Schlamm –, die eine verheerende Wand aus Material bildeten, die durch ein enges und gewundenes Tal raste. In dieser Phase blieb viel Material zurück und die Energie nahm rasch ab. Diese Phase dauerte etwa dreizehn Minuten. Phase 3 (fünfzig Minuten Dauer) war eher flutartig, mit gewaltigen Wassermassen, die flussabwärts flossen und große Felsbrocken von bis zu 20 m Durchmesser mit sich führten.

Die wichtigste Erkenntnis: „Die Daten der seismischen Instrumente eignen sich als Grundlage für ein Frühwarnsystem, das vor dem Eintreffen solcher katastrophalen Murgänge warnt“, sagt Niels Hovius, Letztautor der Studie und kommissarischer wissenschaftlicher Vorstand des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Verfügbarkeit eines dichten seismischen Netzes, wie es von indischen Forschenden am Indian National Geophysical Research Institute (NGRI) betrieben wird. Hovius' Kollegin Kristen Cook, Erstautorin der Studie, fügt hinzu: „Die verfügbare Vorwarnzeit für Standorte in Tälern hängt von der Entfernung und der Geschwindigkeit der Strömungsfront flussabwärts ab.“ Joshimath zum Beispiel, wo der Flusspegel während des Hochwassers um 16 Meter anstieg, lag 34,6 km flussabwärts vom Erdrutsch. Kristen Cook: „Das bedeutet, dass die Menschen in und um Joshimath etwa eine halbe Stunde vor dem Eintreffen der Flut gewarnt worden sein könnten.“ Für weiter flussaufwärts gelegene Regionen, in denen die Welle nur wenige Minuten nach dem Erdrutsch eintraf, hätte die Zeit möglicherweise immer noch ausgereicht, um Kraftwerke abzuschalten.

Warum also gibt es ein solches Warnsystem nicht schon lange? Fabrice Cotton, Leiter der Sektion Erdbebengefährdung und Risikodynamik, sagt: „Das Problem sind die unterschiedlichen Anforderungen an seismische Messstationen, die dazu führen, dass viele Stationen in unseren weltweiten und regionalen Erdbebennetzen weniger geeignet sind, um Felsstürze, Murgänge oder große Überschwemmungen zu erkennen. Gleichzeitig helfen Stationen, die Hochwasser und Murgänge in ihrer unmittelbaren Umgebung überwachen sollen, nicht so gut bei der Erkennung von Ereignissen in der Ferne.“ Die Lösung, an der die GFZ-Forschende gemeinsam mit ihren Kolleg*innen in Indien und Nepal arbeiten, ist ein Kompromiss: An strategisch günstigen Stellen müssten Stationen eingerichtet werden, die das Rückgrat eines Hochgebirgs-Flutwarnsystems bilden. GFZ-Forscher Marco Pilz: „Dieser Kompromiss ist gewissermaßen ein Optimierungsproblem, mit dem sich künftige Studien befassen müssen und bei dem wir bereits systematische Fortschritte gemacht haben, zum Beispiel in der Niederrheinischen Bucht. Weitere Analysen von Sturzfluten und Murgängen werden dazu beitragen, besser zu verstehen, wie seismische Signale bei der Frühwarnung helfen können.“

Erste Ideen, ein solches Frühwarnsystem auf Basis eines seismologischen Ansatzes zu etablieren, entstanden bereits vor der Katastrophe als Ergebnis eines gemeinsamen Workshops von Helmholtz-Forschenden und indischen Kolleg*innen in Bangalore im Frühjahr 2019. Das aktuelle Projekt der Studie wurde von Virendra Tiwari vom NGRI und Niels Hovius initiiert. Es nutzte die zufällige räumliche Nähe des Hochwassers zu einem regionalen seismischen Netzwerk, das bereits vom NGRI aufgebaut worden war. Hovius: „Die Frühwarnung wird immer dringlicher, da Gebirgsflüsse zunehmend für die Erzeugung von Wasserkraft genutzt werden, die als Motor für die wirtschaftliche Entwicklung der ärmsten Bergregionen der Welt gilt.“ Im Zuge der Klimaerwärmung schwinden Gletscher rapide und es sammelt sich viel Schmelzwasser in hochgelegenen Gletscherstauseen. Hovius mahnt: „Katastrophale Überschwemmungen werden deshalb wahrscheinlich häufiger werden und so werden die Risiken in Zukunft noch weiter steigen.“

Originalstudie: Cook KL, Rekapalli R, Dietze M, Pilz M, Cesca S, Rao NP, Srinagesh D, Paul H, Metz M, Mandal P, Suresh G, Cotton F, Tiwari VM, Hovius N. Detection and potential early warning of catastrophic flow events with regional seismic networks. Science. 2021 Oct;374(6563):87-92. doi: 10.1126/science.abj122

Wissenschaftliche Ansprechpersonen:

Dr. Kristen Cook
Sektion Geomorphologie
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: 0331-288-28829
E-Mail: kristen.cook@gfz-potsdam.de

Prof. Dr. Niels Hovius
Wissenschaftlicher Vorstand (interim)
Sektion Geomorphologie
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: 0331-288-1015
E-Mail: niels.hovius@gfz-potsdam.de

Medienkontakt:

Josef Zens
Leiter Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1040
E-Mail: josef.zens@gfz-potsdam.de