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4.2 – Vulkaneruptionen

Am 26. Januar 2000 warnte der isländische Rundfunk vor einer Eruption des Vulkans Hekla, die in 15 Minuten zu erwarten sei. Die Vorhersage stammte vom lokalen geologischen Dienst. Tatsächlich folgte die Eruption nach 17 Minuten. Dies ist nur eines von vielen Beispielen, wie vulkanische Eruptionen in den vergangenen Jahren erfolgreich vorhergesagt wurden. Auch der Zeitpunkt des Pinatubo-Ausbruchs 1991 wurde korrekt vorhergesagt. Gezielte Evakuierungsmaßnahmen retteten das Leben Zehntausender Menschen.

Unterhalb von aktiven Vulkanen befindet sich in einer Tiefe von wenigen Kilometern oft eine Magmenkammer, die manchmal mit seismischen Methoden direkt abgebildet werden kann. In anderen Fällen steigt das Magma direkt aus dem Erdmantel zur Erdoberfläche auf. Aus der chemischen Zusammensetzung von Mineralen, die bei einer Eruption an die Erdoberfläche gelangen, lassen sich die Druck- und Temperaturbedingungen in der Magmenkammer oder in den Aufstiegskanälen sehr genau bestimmen. Explosive Vulkaneruptionen ereignen sich, wenn sich Gase wie Wasserdampf oder Kohlendioxid, die ursprünglich unter Druck im Magma gelöst waren, entmischen. Wie viel Wasser und CO2 ursprünglich in der Schmelze enthalten waren, lässt sich durch die Analyse von Schmelzeinschlüssen in Kristallen bestimmen. Durch derartige Untersuchungen konnte in den vergangenen Jahren im Detail geklärt werden, wie zahlreiche Eruptionen abgelaufen sind.

Magmenkammer

Die Vorhersage von Vulkaneruptionen beruht auf verschiedenen Methoden, die nachweisen können, wie sich das Magma im Untergrund bewegt. Um aktive Vulkane zu überwachen, werden vor allem drei Methoden eingesetzt: (1) seismische Methoden, das heißt die Beobachtung von Erdbebenwellen, (2) die Analyse vulkanischer Gase, zum Beispiel durch Infrarot-Spektroskopie und (3) die Messung von Bodendeformation, entweder vom Boden aus mit Neigungs- und Dehnungssensoren oder durch den Einsatz von Satelliten. Vulkanisch-tektonische Erdbeben entstehen, wenn Gestein zerreißt. Wenn sich die Stärke dieser Erdbeben vermindert, kann man vermuten, dass die Festigkeit der Gesteinshülle über der Magmenkammer nachlässt. Dieses Phänomen kann Tage oder Wochen vor einer Eruption auftreten. So genannte langperiodische Erdbeben ermöglichen aber auch kurzfristige Warnungen. Dieser Typ von Erdbeben entsteht, wenn blasenhaltiges Magma durch Spalten im Gestein strömt. Kurz vor einer Eruption beobachtet man oft, dass sich das Frequenzspektrum dieser Erdbeben kontinuierlich verschiebt. Vulkanische Gase wie Schwefeldioxid liefern wertvolle Hinweise darauf, wie durchlässig ein Vulkanschlot ist und ob sich freies Gas in der Magmenkammer bildet. Wenn sich der Boden verformt, deutet das darauf hin, dass sich in der Magmenkammer Druck aufbaut oder dass neues Magma aus großer Tiefe aufsteigt. Diese Deformationen lassen sich besonders gut mit der satellitengestützten Radarinterferometrie InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) nachweisen.

Vorhersage

Auch Deutschland ist grundsätzlich durch Vulkaneruptionen bedroht. Die Vulkane der Eifel sind zwar gegenwärtig nicht aktiv, der Vulkanismus ist dort jedoch nicht erloschen. Die letzten Ausbrüche des Laacher Sees und des Ulmener Maars liegen erst 12.900 und 11.000 Jahre zurück. Die Eruption des Laacher Sees setzte 6,5 Kubikkilometer Magma frei und war damit etwa genauso groß wie die Eruption des Mount Pinatubo 1991. Zahlreiche Erdbeben erschüttern jährlich die Regionen entlang des Rheingrabenbruches, wovon zahlreiche Städte, wie z. B. Köln, Bonn oder Freiburg betroffen sind. Die meisten Erdbeben sind zwar kaum zu spüren, aber die in Abständen von einigen Jahren auftretenden Ereignisse veranlassen die meisten Städte und Gemeinden in den betroffenen Regionen dazu, Katastrophenpläne und Vorsorgemaßnahmen zu erarbeiten, um auf Risiken verschiedener Art (von Erdbeben über Überschwemmungen bis zu Industrieunfällen) vorbereitet zu sein. Ein Ausbruch des Vesuvs würde das Leben von weit über einer Million Menschen in Süditalien direkt bedrohen. Große explosive Vulkaneruptionen wie der Pinatubo-Ausbruch im Juni 1991 stellen eine enorme Bedrohung für die Menschen in der unmittelbaren Umgebung dar. Gleichzeitig können sie das Klima global abkühlen, weil sie Sulfat-Aerosole in die Stratosphäre freisetzen.

Vulkane und Erdbeben in Deutschland

Wissenschaftliche Herausforderungen

Welches Eruptionsverhalten ein Vulkan zeigt, hängt davon ab, wie viel flüchtige Bestandteile das Magma enthält. Besonders wichtig ist der Wassergehalt, aber auch Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Chlorwasserstoff spielen eine entscheidende Rolle. Bisher ist es nicht möglich, den Wassergehalt im Magma vor einer Eruption zu messen. Dieses Problem ließe sich lösen, wenn man die elektrische Leitfähigkeit in der Magmenkammer messen könnte. Die Leitfähigkeit einer Silikatschmelze hängt stark vom Wassergehalt ab. Vor vielen Eruptionen ändert sich zudem die Zusammensetzung vulkanischer Gase. Diese Änderungen können jedoch noch nicht quantitativ interpretiert werden, da grundlegende Daten darüber fehlen, wie gut sich Gase in Magmen lösen und wie sie sich zwischen Fluid- und Schmelzphase verteilen. Die Gase, die aus Vulkanen entweichen, stammen oft nicht nur aus dem Magma, sondern auch aus dem Grund- und Oberflächenwasser. Um aus den Gasemissionen auf den Zustand des Vulkans schließen zu können, muss das gesamte magmatisch-hydrothermale System modelliert werden.

Vorhersagbarkeit von Vulkaneruptionen

Während die Viskosität von Silikatschmelzen recht gut untersucht ist, existieren nur unvollständige Daten darüber, wie sich kristall- und blasenhaltige Magmen verhalten. Wie schnell sich Gasblasen bilden und wie gashaltige Magmen fragmentieren, ist ebenfalls noch unzureichend bekannt. Daten über das Fragmentierungsverhalten und die Glastransformationstemperatur sind wichtig, um seismische Signale aus der Magmenkammer korrekt interpretieren zu können. Wenn sich im Magma Kristalle bilden, können auch Gasblasen entstehen. Gleichzeitig kann sich die Viskosität einer Schmelze drastisch erhöhen. Wie Kristalle das Fließverhalten von Magmen beeinflussen, hängt nicht nur von der Menge der Kristalle ab, sondern auch von ihrer Form und Anordnung. Diese Vorgänge lassen sich bisher noch nicht quantitativ vorhersagen.

Eigenschaften von Magmen

Bei manchen Vulkanen verändert sich das Eruptionsverhalten, obwohl die Magmenzusammensetzung nahezu gleich bleibt. Ein Beispiel ist der Lascar in Chile. Im April 1993 ereignete sich dort eine unerwartete, sehr starke Explosion, nachdem der Vulkan seit 1984 viele Jahre lang eine ruhige, effusive Aktivität gezeigt hatte. Möglicherweise lag das daran, dass sich die Durchlässigkeit und die Geometrie des Schlotes geringfügig änderten. Dadurch entgaste das Magma bereits beim Aufstieg unterschiedlich stark.

Explosive und effusive Vulkane

In einigen Fällen ist der Zusammenhang zwischen Erdbeben und Vulkaneruptionen offensichtlich. Der Kilauea auf Hawaii brach am 29. November 1975 aus, nur eine halbe Stunde nach einem Erdbeben mit der Magnitude 7,5, dessen Epizentrum 20 Kilometer entfernt lag. Es mehren sich Hinweise darauf, dass Erdbeben selbst über große Entfernungen vulkanische Aktivität auslösen können. Möglicherweise reißen die seismischen Wellen tief in der Magmenkammer Gasblasen los, die anschließend nach oben wandern.

Erdbeben als Auslöser

Pyroklastische Ströme oder Glutwolken sind eine Hauptgefahr bei vielen Vulkaneruptionen. Sie verursachten beispielsweise im Jahr 79 die Zerstörung von Pompeji. Die Vorhersage des Fließverhaltens dieser Suspensionen von Gesteinspartikeln und Schmelztropfen in heißen Gasen erfordert die Entwicklung von numerischen Modellen, die auch die Wechselwirkung der Glutwolken mit der Atmosphäre und der Topographie der Oberfläche einbeziehen.

Modellierung pyroklastischer Ströme

Pyroklastischer Strom beim Ausbruch des Mayon

Pyroklastischer Strom beim Ausbruch des Mayon (Philippinen, 23. 9. 1984). Solche Glutlawinen, in denen sich Gesteinspartikel, Schmelztropfen und heiße Gase mischen, sind eine der größten Gefahren bei einem Vulkanausbruch. (Quelle: United States Geological Survey (USGS) / photo by C.G. Newhall)

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:02 durch Jana Stone | Impressum