Katastrophendynamik und Katastrophenmanagement – Neue Ansätze aus der Wissenschaft

Im Jahre 2003 haben Katastrophen 60.000 Menschen das Leben gekostet und einen Schaden von 70 Mrd. Dollar angerichtet. Der Tsunami in Südasien 2004/05 hat diese Zahlen mit 175.000 Toten und einem ungeahnten Ausmaß noch weit in den Schatten gestellt. Weltweit sind 250 Millionen Menschen jährlich von Naturkatastrophen betroffen und 3 Milliarden Menschen gefährdet. Welchen Beitrag kann die Wissenschaft zur Milderung und zum Management von Katastrophen leisten? Dies ist eine der zahlreichen Fragestellungen, mit denen sich das Dresdner Kompetenzzentrum für Sicherheit in Verkehrs- und Infrastruktursystemen befasst, welches aus ca. 20 Professoren der Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ der TU Dresden und dem Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme besteht.

Ausgehend von einem DFG-geförderten Projekt zur wissenschaftlichen Analyse der Jahrhundertflut im August 2002 untersucht ein Forscherteam um Prof. Dirk Helbing die Gemeinsamkeiten von Katastrophen und wie man sie wirksam bekämpfen kann. Dabei fließen wissenschaftliche Disziplinen wie die Statistik extremer Ereignisse, die Chaostheorie, die Theorie von Netzwerken und natürlich auch die Katastrophentheorie ein.

Weil es sich bei den meisten Katastrophen um seltene Ereignisse handelt, werden sie häufig unterschätzt, so dass adäquate Vorsorgemaßnahmen oft unterbleiben. Entscheidend ist aber das Produkt aus der Auftrittswahrscheinlichkeit und Zerstörungskraft einer Katastrophe. Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass extreme Ereignisse wesentlich häufiger auftreten, als man erwarten würde, wenn man, wie üblich, eine Normalverteilung zu Grunde legt (welche die Statistik alltäglicher Variationen beschreibt). Die unterschätzte Häufigkeit von Katastrophen liegt daran, dass viele Systeme an der Grenze der Belastbarkeit betrieben werden. Daher können ungewöhnliche Belastungen zu lawinenartigen Dominoeffekten führen, beispielsweise zu Pleitewellen in der Wirtschaft.

Solche Dominoeffekte sind Gegenstand einer gerade fertiggestellten Studie von Prof. Dirk Helbing, Hendrik Ammoser und Christian Kühnert von der TU Dresden. Sie behandelt u.a. Erdbeben, großflächige Stromausfälle (Blackouts), Unwetterkatastrophen, Terroranschläge, und Epidemien. Beispielsweise waren beim Blackout in Nordmerika im Jahre 2003 zeitweilig 50 Millionen Menschen ohne Strom. Der plötzliche Ausfall eines Kraftwerkes hatte zu einem kaskadenartigem Abschalten anderer Kraftwerke geführt, um Überlastungen zu vermeiden. In der Folge war jedoch auch die Wasserversorgung betroffen, da der Wasserdruck ohne Pumpen absackte und Kontaminationen nicht ausgeschlossen waren. Das Abkochen des Wassers war aber oft nicht möglich. Weiterhin lag der Verkehr lahm. Viele Flughäfen waren geschlossen, der Ausfall der Lichtsignalanlagen bewirkte ein Verkehrschaos, und Tankstellen konnten kein Benzin pumpen. Tausende Personen steckten in Fahrstühlen und U-Bahnen fest. Radio- und Fernsehsender strahlten zwar Programme aus, konnten aber überwiegend ohne Strom nicht empfangen werden. Auch das Handynetz brach zusammen, teilweise wegen Überlastung. Nur Festnetztelefone und Laptops mit Internetzugang funktionierten zum Teil noch. Die Information der Bevölkerung war also stark eingeschränkt. Der Ausfall von Gaspumpen führte zu einer Explosion in einer Ölraffinerie, was eine Evakuierung erforderlich machte. Außerdem verursachte die Verwendung von Kerzen infolge des Lichtausfalls mehrere Brände. Unter die langfristigen Effekte war eine Reduktion des Wirtschaftswachstums und die Verschiebung von Wahlen zu rechnen.

Die meisten Katastrophen beginnen lokal, aber die Überlastung eines Bereichs führt zur Ausbreitung auf einen anderen. In manchen Fällen kann diese Dynamik sogar Konsequenzen auf globalem Maßstab haben. Beispiele dafür sind die Terroranschläge am 11. September, AIDS, SARS oder der Tsunami in Südasien. Die Ursache sind die zahlreichen indirekten Wechselwirkungen und „Teufelskreise“, welche die komplexen Wirkzusammenhänge einer Katastrophe nahezu unüberschaubar machen. Die beiliegende Abbildung illustriert dies für das Beispiel von Erd- und Seebeben (Tsunamis).

Das dargestellte Kausalnetzwerk wird von den Wissenschaftlern in ein Computermodell überführt, das die Berechnung der Ausbreitungsdynamik von Katastrophen unter Berücksichtigung der ansonsten kaum überschaubaren Rückwirkungen erlaubt. So lässt sich voraussagen, in welcher zeitlichen Abfolge bestimmte Dominosteine (Sektoren) vom Umfallen (Ausfall) bedroht sind. Statt das Katastrophenmanagement auf die Beseitigung von Folgen zu konzentrieren, könnten die Einsatzkräfte so gezielter die Ausbreitung einer Katastrophe bekämpfen. Dies würde von einem reaktiven zu einem stärker antizipativen Katastrophenmanagement führen.

Die computergestützte Methode eignet sich nicht nur zur Vorhersage der wahrscheinlichen Katastrophendynamik. Sie erlaubt auch die Bewertung der Wirksamkeit verschiedener Bekämpfungsmaßnahmen und ihrer Nebenwirkungen. Auf diese Weise lässt sich der Einsatz verfügbarer Resourcen optimieren.

Die Forscher der TU Dresden interessieren sich auch für Katastrophenlogistik und Organisationsstrukturen. Untersucht werden u.a. verschiedene Möglichkeiten des Managements verflochtener Liefernetzwerke für Energie, Material, Spezialgeräte, Informationen und Manpower. Bekanntermaßen bestimmt das schwächste Glied einer Lieferkette ihre Wirksamkeit, so dass die Effizienz vieler Maßnahmen unter schwierigen Bedinungen gering ist. Hier könnten redundante Netzwerkkonzepte helfen, die sich robuster verhalten, wenn Informationen oder Materialien ausfallen. Solche Konzepte bewähren sich besser als rein hierarchische Organisationsansätze. Es überrascht daher nicht, dass sich das Katastrophenmanagement in den USA seit dem 11. September stärker in Richtung der Interaktion autonomer Katastrophenbekämpfungseinheiten bewegt. Die Wissenschaft der Selbstorganisationsprozesse verspricht hier neue Lösungsansätze.

Für nähere Informationen kontaktieren Sie bitte Herrn Hendrik Ammoser unter der Telefonnummer 0351 463-36711, E-Mail: ammoser@vwi.tu-dresden.de.