Naturgefahren und selbstorganisierte Kritizität

Einige Naturgefahren, z.B. Erdbeben, Hangrutschungen, Felsstürze und Waldbrände, haben auffällig ähnliche Frequenz-Magnitude-Relationen (d.h. statistische Verteilungen der Ereignishäufigkeit in Abhängigkeit der Ereignisstärke), nämlich Potenzgesetz-Verteilungen. Diese Ähnlichkeit lässt vermuten, dass es ein übergreifendes gemeinsames Konzept hinter diesen offensichtlich verschiedenen Phänomenen gibt, welches für einige Aspekte wichtiger ist als die Details der Prozesse. Möglicherweise ist dies das vor fast 20 Jahren eingeführte Konzept der selbstorganisierten Kritizität (self-organized criticality, SOC). SOC wurde entdeckt bei der Untersuchung relativ einfacher Computermodelle. Die drei am weitesten verbreiteten selbstorganisiert kritischen Modelle könnten in direktem Zusammenhang zu Erdbeben, Felsstürzen und Waldbränden stehen. Diese Modelle zeigen eine gewisse Universaltiät, was bedeutet, dass die erhaltenen Frequenz- Magnitude-Relationen nicht oder nur sehr schwach von Modellparametern und Randbedingungen abhängen. Allerdings beruht dieses Resultat auf einer Selbstorganisation der Systeme. Unabhängig vom Anfangszustand organisieren sich die Systeme zu einem bestimmten (kritischen) Zustand (an die Parameter und Randbedingungen angepasst), in dem die beobachtete Frequenz-Magnitude-Relation auftritt. Die theoretische Untersuchung selbstorganisiert kritischer Systeme betrifft bislang grundsätzlich nur diesen Zustand, was aber für die Anwendung auf konkrete Naturgefahren nicht unbedingt sinnvoll ist. Wenn sich in der Natur Parameter oder Randbedingungen ändern, benötigt die Selbstorganisation eine gewisse Zeit (möglicherweise bis zu einigen tausend Jahren), bevor das System seine ursprüngliche Frequenz-Magnitude-Relation wieder erreicht hat. Während dieser Phase der Reorganisation kann die Frequenz-Magnitude-Relation der auftretenden Ereignisse stark von der erwarteten abweichen. Das Projekt befasst sich mit diesen Phasen der Reorganisation mit Hilfe numerischer Simulationen der drei am weitesten verbreiteten selbstorganisiert kritischen Modelle. Als Ergebnis werden Variationen in den Frequenz- Magnitude-Relationen, welche aus verschiedenen Typen von Veränderungen in Randbedingungen und Parametern resultieren, bestimmt. Die Ergebnisse sollen einerseits helfen, vorherzusagen, wie sich die Frequenz-Magnitude- Relationen verschiedener Naturgefahren in Zukunft entwickeln könnten, und andererseits Aufschluss darüber geben, welchen Aufschluss aktuell beobachtete Frequenz-Magnitude-Relationen über Parameteränderungen in der Vergangenheit liefern.

Einige Naturgefahren, z.B. Erdbeben, Hangrutschungen, Felsstürze und Waldbrände, haben auffällig ähnliche Frequenz-Magnitude-Relationen (d.h. statistische Verteilungen der Ereignishäufigkeit in Abhängigkeit der Ereignisstärke), nämlich Potenzgesetz-Verteilungen. Diese Ähnlichkeit lässt vermuten, dass es ein übergreifendes gemeinsames Konzept hinter diesen offensichtlich verschiedenen Phänomenen gibt, welches für einige Aspekte wichtiger ist als die Details der Prozesse. Möglicherweise ist dies das vor fast 20 Jahren eingeführte Konzept der selbstorganisierten Kritizität (self-organized criticality, SOC). SOC wurde entdeckt bei der Untersuchung relativ einfacher Computermodelle. Die drei am weitesten verbreiteten selbstorganisiert kritischen Modelle könnten in direktem Zusammenhang zu Erdbeben, Felsstürzen und Waldbränden stehen. Diese Modelle zeigen eine gewisse Universaltiät, was bedeutet, dass die erhaltenen Frequenz- Magnitude-Relationen nicht oder nur sehr schwach von Modellparametern und Randbedingungen abhängen. Allerdings beruht dieses Resultat auf einer Selbstorganisation der Systeme. Unabhängig vom Anfangszustand organisieren sich die Systeme zu einem bestimmten (kritischen) Zustand (an die Parameter und Randbedingungen angepasst), in dem die beobachtete Frequenz-Magnitude-Relation auftritt. Die theoretische Untersuchung selbstorganisiert kritischer Systeme betrifft bislang grundsätzlich nur diesen Zustand, was aber für die Anwendung auf konkrete Naturgefahren nicht unbedingt sinnvoll ist. Wenn sich in der Natur Parameter oder Randbedingungen ändern, benötigt die Selbstorganisation eine gewisse Zeit (möglicherweise bis zu einigen tausend Jahren), bevor das System seine ursprüngliche Frequenz-Magnitude-Relation wieder erreicht hat. Während dieser Phase der Reorganisation kann die Frequenz-Magnitude-Relation der auftretenden Ereignisse stark von der erwarteten abweichen. Das Projekt befasst sich mit diesen Phasen der Reorganisation mit Hilfe numerischer Simulationen der drei am weitesten verbreiteten selbstorganisiert kritischen Modelle. Als Ergebnis werden Variationen in den Frequenz- Magnitude-Relationen, welche aus verschiedenen Typen von Veränderungen in Randbedingungen und Parametern resultieren, bestimmt. Die Ergebnisse sollen einerseits helfen, vorherzusagen, wie sich die Frequenz-Magnitude- Relationen verschiedener Naturgefahren in Zukunft entwickeln könnten, und andererseits Aufschluss darüber geben, welchen Aufschluss aktuell beobachtete Frequenz-Magnitude-Relationen über Parameteränderungen in der Vergangenheit liefern.