Wo die Mintrop-Kugel fällt – Besuch der Wiechert´schen Erdbebenwarte.

Am Hang des Hainberges oberhalb von Göttingen liegt ein Kleinod der Geowissenschaften. Auf dem Gelände der Wiechert´schen Erdbebenwarte geschah buchstäblich welterschütterndes. Hier stehen nicht nur die dienstältesten Seismographen der Welt, hier löste die so genannte Mintrop-Kugel auch künstliche Erdbeben aus, der Beginn der seismischen Exploration.

Ferne Kunde bringt Dir der schwankende Fels

Emil Wichert zog 1901 mit dem Geophysikalischen Institut der Universität Göttingen in das alte Erdbebenhaus am Hang des Wartebergs. Dieser ist ein Ausläufer des Hainberges. Der Standort ist weit genug von der Stadt entfernt gewesen und sein Untergrund aus Muschelkalk sollte eine möglichst optimale Übertragung der seismischen Wellen ermöglichen.

Zuvor war ihm die Konstruktion leistungsfähiger Seismographen gelungen. Zusammen mit dem ortsansässigen Unternehmen Bartels sowie Spindler & Hoyer baute Emil Wichert 1902 Seismographen, die später für mehrere Jahrzehnte in Serie produziert wurden. Hier am Hainberg beginnt 1903 der astatische Horizontalseismograph mit den Aufzeichnungen. Das macht ihn zum dienstältesten Seismographen der Welt. 1905 folgen der Vertikalseismograph und das 17-t-Pendel.

Nun war Emil Wiechert nicht der erste, der sich an die Konstruktion von Seismographen heranwagte. Alle Konstrukteure aber standen vor dem selben Problem. Die Ankunft der Erdbebenwellen regt den Seismographen zu Eigenschwingungen an. Diese verdecken dann aber meist die später eintreffenden Erdbebenwellen. Es war die von Wiechert entwickelte Luftdämpfung, die seine Seismometer so herausragend machte. Da das Pendel schnell wieder zur Ruhe kam, konnten auch später eintreffende Wellen aufgezeichnet werden.

Bis 1906 wurden baugleiche Horizontalseismographen auch in anderen Orten (unter anderem in Hamburg, ich meine, mich an das Gerät während meines Studiums zu erinnern) aufgebaut. Dadurch gelingt unter anderem die vollständige Aufzeichnung des 1906 Erdbebens von San Francisco.

deute die Zeichen

Beim betrachten eines Seismogrammes, also der Aufzeichnung eines Erdbebens durch einen Seismographen, fällt einiges auf. Da gibt es unterschiedliche Wellenarten, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Erde reisen.

Erdbebenwellen

Zuerst treffen die P-Wellen, auch Primärwellen genannt, ein. Sie sind Longitudinalwellen, sie schwingen also in Ausbreitungsrichtung. Wie bei Schallwellen wird das betreffende Medium dabei abwechselnd verdichtet. Diese Wellen können sich nicht nur in festen Medien wie Gestein ausbreiten, sondern auch in Flüssigkeiten und Gasen.

Die nächsten Wellen sind die S- oder Sekundärwellen. Bei ihnen handelt es sich um Transversalwellen, sie schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung. Das betreffende Medium muss einen Scherwiderstand haben, daher können sie sich nicht bzw. sehr schlecht in flüssigen oder gasförmigen Medien ausbreiten. Diese Eigenschaft kann man sich zu Nutze machen, um flüssige Bereiche im Inneren der Erde zu identifizieren.

Meist als letztes treffen Oberflächenwellen ein. Sie entstehen durch Brechung der P- und S-Wellen zur Oberfläche hin. Sie ähneln den S-Wellen dadurch, dass sie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen, aber ihre Amplitude nimmt mit der Tiefe ab.

Mit dem seismographischen Netz aus den ersten Wiechert´schen Seismographen (unter anderem eben in Hamburg), konnten die ersten Laufzeitkurven von Erdbebenwellen aufgezeichnet werden. Aus diesen Daten jetzt auf den Aufbau im Untergrund schließen zu können, war eine Herausforderung. 1907 löste der Göttinger Mathematiker Gustav Herglotz das Inversionsproblem grundsätzlich. Es war dann aber wieder Emil Wiechert, der diesen Ansatz auch praktisch nutzbar machte. Dieses Wichert-Herglotz-Verfahren ermöglichte es Emil Wiechert und seinen Mitarbeitern die Bestimmung der Abhängigkeit der Wellengeschwindigkeit von der Tiefe. Letztlich konnte dann Beno Gutenberg, ein Schüler Wiecherts, mit den aus Erdbebenwellen gewonnen Daten den Radius des Erdkerns bestimmen.

Das Alte Erdbebenhaus

Über dem Eingang des Alten Erdbebenhauses prangt das Motto von Emil Wichert: „Ferne Kunde bringt dir der schwankende Fels – Deute die Zeichen“. Das Gebäude, das auf den ersten Blick einem kleinen Bunker ähnelt, hat eine Bodenplatte aus Stampfbeton, der direkt auf dem unterlagernden Muschelkalk aufliegt. Auf diese Weise sollen die Erdbebenwellen leicht übertragen werden. Im Haus selber sind die empfindlichen Instrumente vor Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit gut geschützt.

Das Gebäude besteht aus drei Räumen. Einem Vorraum, einem Instrumentenraum, in dem die drei historischen Seismographen stehen sowie einem Berußungsraum. In diesem werden die Papierrollen mit Ruß beschichtet. In diesen Ruß werden die Seismogramme eingeritzt und anschließend mit Lack überzogen, um sie dauerhaft lagern zu können. Auch heute noch werden die berußten Papierrollen verwendet, auch wenn die historischen Instrumente längst ihre Daten elektronisch aufzeichnen können. Die Verwendung beider Aufzeichnungsmethoden dient auch der Vergleichbarkeit der historischen Aufzeichnungen mit den modernen.

Die Wichert´schen Seismographen

Das generelle Prinzip der Seismographen ist das des Pendels. Eine beweglich aufgehängte Masse bleibt wegen ihrer Trägheit zunächst in Ruhe, wenn sich das mit dem Boden verbundene Aufhängesystem bewegt.

Astatischer Horizontalseismograph

Der älteste Seismograph im Raum ist der astatische Horizontalseismograph. Man kann sich das Gerät als umgekehrtes Pendel vorstellen, bei dem ein 1200 kg schwerer, 40 cm hoher und 80 cm durchmessender Stahlplatten-Zylinder im labilem Gleichgewicht auf einem kardanischen Blattfederwerk steht. Der Drehpunkt liegt ca. 90 cm unterhalb des Massenmittelpunktes. Die relativen Bewegungen zwischen Masse und Drehpunkt werden durch ein komplexes System aus Hebeln auf die Schreibnadeln sowohl für Ost-West, als auch für Nord-Süd-Bewegungen übertragen.

Die Schreibnadeln schreiben auf berußten Papierstreifen, die durch ein mechanisches Uhrwerk angetrieben werden. Die Schreibgeschwindigkeit beträgt ca. 16 mm /min. Dabei kann die Vergrößerung auf Werte zwischen 100- und 300-fach eingestellt werden. Normalerweise liegt sie bei ca. 160-fach. Die Papierstreifen müssen täglich gewechselt werden. Die Eigenperiode beträgt ca. 11 s. Das Luftdämpfungssystem ist die entscheidende Verbesserung gewesen, die Emil Wichert eingeführt hatte.

Dieser Seismograph hier versieht seinen Dienst seit 1902, was ihn wohl zum dienstältesten Seismographen der Welt macht. Unterbrochen wurde dieser lange Zeitraum nur während Wartungsarbeiten. Er ist nicht nur der Prototyp für eine Vielzahl von Seismographen weltweit und über einen langen Zeitraum, er wird auch in den meisten Lehrbüchern über Seismologie ausführlich beschrieben.

17-Tonnen Pendel

So gewaltig der astatische Seismograph zuerst wirken mag, gegen seinen Nachbarn ist er geradezu klein. Mit seinen mehr als 17 Tonnen Gewicht ist das Pendel mehr als 10 x so schwer. In einem gut 2 Meter durchmessenden Kessel aus Eisenblech befinden sich gut 17 Tonnen Schwerspat, aufgehängt an drei Halterungen. Sein Baujahr wird mit 1904 angegeben, Seit 1907 werden Erdbebenwellen gemessen. Zumindest teilweise, denn erst im Jahr 1932 wurde eine Registriereinrichtung für Ost-West-Bewegungen eingerichtet. Bis zu diesem Zeitpunkt konnte das Pendel nur Nord-Süd gerichtete Bewegungen registrieren. Die mechanische Vergrößerung beträgt 2200-fach, geschrieben wird, wie auch bei den anderen Seismographen, auf berußtem Papier, das mittels eines Uhrwerks angetrieben wird. Die Schreibgeschwindigkeit beträgt 60 mm / min.

Die ungeheure Masse von 17 Tonnen mag übertrieben klingen. Aber sie wird benötigt, um die, wenn auch sehr kleinen, Reibungsverluste in den Hebellagern und der Schreibfedern auf dem Rußpapier bei der starken Vergrößerung und bei kurzperiodischen Schwingungen klein zu halten.

Vertikalseismograph

Mit seiner Masse von 1300kg Schwerspat in einem an acht Spiralfedern aufgehängten Stahlkasten ist der Vertikalseismograph der dritte im Bunde. Das Hebelsystem bewirkt eine Astasierung, so dass das System eine Eigenperiode von 3,5 und eine 230-fache Vergrößerung aufweist. Auch hier findet sich eine Luftdämpfung.

Hergestellt wurde dieser Seismograph von den Firmen G. Bartels sowie Spindler & Hoyer in Göttingen. Baubeginn war im Jahr 1904. Fertiggestellt wurde er 1905, und seit dieser Zeit registriert er nahezu ohne Unterbrechungen. Er ist ebenfalls ein Prototyp für viele gleichartige Geräte.

Um den Einfluss von Temperatur auf die Seismographen zu minimieren, befinden sich die Geräte jeweils in einem eigenen Glasschrank.

Neues Erdbebenhaus

An der Nordostseite des alten Erdbebenhauses wurde 1925 das so genannte neue Erdbebenhaus gebaut. Hier befanden sich weitere, im Göttinger Institut für Geophysik entwickelte Seismographen und eine Eichvorrichtung, die aber heute leider nicht mehr erhalten sind.

Dafür steht hier seit 2005 ein modernes Breitband-Seismometer. Dessen Messungen dienen auch der Vergleichsmöglichkeit moderner Geräte mit den alten, historischen Seismographen.

Damit bleibt die Göttinger Station auch Mitglied im Netzwerk deutscher Erdbebenstationen. Die gewonnen Daten werden direkt an die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover übertragen.

Die Astronomische Hütte

Den Erdbebenhäusern benachbart findet sich die Astronomische Hütte. Sie wurde 1902 errichtet und beherbergt ein Passage-Instrument, das weniger zur Sternenbeobachtung diente, als vielmehr der astronomischen Zeitbestimmung. Dabei wurde ein elektrischer Impuls mit dem Seismogramm verknüpft. Dies diente der Synchronisierung der weltweit an verschiedenen Stationen erfassten seismischen Daten.

Das Gaußhaus

Ebenfalls auf dem Gelände der Erdbebenwarte steht das kleine Gebäude, welches Carl Friedrich Gauß 1833 ursprünglich im Garten der Göttinger Sternwarte errichte ließ. Hier führte der Physiker zusammen mit Wilhelm Weber verschiedene Experimente und erdmagnetische Beobachtungen durch. Damit die magnetischen Versuche nicht durch fremde Einflüsse gestört wurden, war das gesamte Haus aus Holz gebaut. Selbst für die Nägel wurden nicht-magnetische Metalle wie z.B. Kupfer verwendet.

Wenn die Mintrop-Kugel fällt

Emil Wiechert hatte zwar ziemlich genaue Vorstellungen, wie sich die Erdbebenwellen durch die Erde bewegen. Aber es war nicht so einfach, diese Vorstellungen auch zu untermauern. Aus diesem Grund wollte sein Schüler Ludger Mintrop künstliche Erdbeben erzeugen, um deren Wellen zu vermessen. Da er aber um Göttingen herum nicht unbedingt mir Sprengstoff hantieren durfte, musste er sich etwas anderes einfallen lassen. Also ließ er auf dem Gelände der Erdbebenwarte ein gut 14 m hohes Stahlgerüst errichten. Von diesem Gerüst ließ er 1908 eine gut 4 t schwere Stahlkugel, welche die Firma Krupp spendierte, auf den Muschelkalk des Bodens fallen.

Die entstehenden Erschütterungen wurden in verschiedenen Entfernungen mit transportablen Seismographen gemessen. Mintrop gelang es, aus den künstlichen Erdbebenwellen den Aufbau der Erdschichten unter seinen Füßen zu entschlüsseln. Eine Idee, die ihm nicht nur eine ausgezeichnete wissenschaftliche Karriere ermöglichte. Er wurde 1920 zum Mitglied der Leopoldina gewählt und lehrte Markscheidekunde und Geophysik an der Universität Breslau (1928 – 1945) und der RWTH Aachen (1945 – 1948).

Die Entdeckung der später nach ihm benannten Kopfwelle und der Refraktionsseismik machte ihn auch wirtschaftlich erfolgreich. Denn sein Verfahren, dass einem Einblicke in den 3-dimensionalen Aufbau der Gesteinsschichten ermöglichte, weckte schnell die Neugier der Bergbauindustrie. Hier ganz speziell der sich entwickelnden Erdölbranche. Die 1921 von ihm mitgegründete Firma Seismos GmbH half dabei, die Förderrate von Erdöl in den folgenden Jahren nachhaltig zu steigern.

Teile des Gerüsts und vor allem die Kugel blieben durch glückliche Umstände bist heute erhalten. Es sind also wirklich historische Gegenstände. Das Gerüst jedenfalls teilweise, einiges wurden ausgetauscht. Aber die Kugel ist tatsächlich diejenige, die Ludger Mintrop 1908 fallen ließ. Das lag an einem kuriosen Eintrag in die Inventarlisten, wo sie als Steinkugel geführt wurde. Als solche weckte sie auch während der Kriege nicht die Begehrlichkeiten metallhungriger Rüstungsbetriebe.

Leider ist auch nicht ganz klar, welche Art Seil Mintrop verwendet hat. Heute wird ein reißfestes Kunstfaserseil mit geringer Dehnung genommen, da Stahlseile sich zu sehr dehnen würden. Die plötzliche Entlastung beim Fall würde den haken dann im Gegenzug himmelwärts katapultieren.

Lebendige Wissenschaftsgeschichte

Es ist, finde ich, ein großes Glück, dass wissenschaftlich so bedeutende Orte und Geräte nicht nur erhalten blieben, sondern auch der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Bis 2005 wurde die Erdbebenwarte von der Universität Göttingen betrieben. Als diese den Betrieb einstellen wollte, stellte sich die Frage, wie man mit dem Gelände, seinen Gebäuden und deren historischem Wert umgehen sollte. Es gründete sich zum Glück schnell der Verein Wiechert’sche Erdbebenwarte Göttingen e.V , der sich den Erhalt der Anlagen und deren öffentliche Zugänglichkeit zum Ziel gesetzt hat.

Durch die Übernahme des Geländes durch den Verein konnten die Anlagen nicht nur erhalten werden. Im Rahmen der Imagekampagne „Deutschland – Land der Ideen“ 2006 konnte erstmals wieder die Mintrop-Kugel fallen und an die Anfänge der seismischen Erkundung erinnern.

Die Erdbebenwarte ist an jedem ersten Sonntag im Monat zwischen 14°° und 17°° Uhr für Besucher geöffnet. Bei geeignetem Wetter fällt dann auch die Mintrop-Kugel. Natürlich können auch Gruppenführungen, gegen eine kleine Spende, gebucht werden.

 

Der Fall der Mintrop-Kugel im Video