Eruptive Gewalt
Auch für Vulkanausbrüche gibt es eine logarithmisch gestufte Größenskala. Der Volcano Explositivity Index VEI definiert sich vor allem am Volumen des ausgestoßenen Materials und wurde Anfang der achtziger Jahre eingeführt. Wie die Richter-Skala bei Erdbeben ist der VEI nach oben offen, allerdings sind aus der Erdgeschichte bisher nur Eruptionen bis zu einem VEI der Größenklasse 8 bekannt. Bei den Eruptionen solcher Supervulkane wird ein Volumen von mindestens tausend Kubik-Kilometern an Material aus dem Inneren heraus geschleudert. Solche Naturkatastrophen sind allerdings extrem selten. Für den letzten Ausbruch dieser Dimension muss man ganze 26.500 Jahre zurück in die Vergangenheit gehen, down under nach Neuseeland.
Der Vulkanausbruch des Mount St. Helens im Jahr 1980 dagegen – einer der schlimmsten des 20. Jahrhunderts mit über achtzig Toten und verheerender Wirkung auf die Natur – hatte “nur” einen VEI von 6. Allerdings ereignete sich die Eruption an einem gut mit Messgeräten ausgestatteten Vulkan, deshalb hat die Forschung dabei einiges über die magmatischen Vorgänge unterhalb des Vulkans lernen können. Die Messungen unterschiedlicher geophysikalischer Beobachtungs-Instrumente kann Jedermann öffentlich in einem Monitoring-Portal einsehen, darunter sogar Live-Daten der Seismik. Bis heute aber bleibt die ultimative Frage unbeantwortet, ob und vor allem wann ein Vulkan tatsächlich ausbricht. Wenn nicht gerade ein Vulkan ausbricht, bleiben die reichlich komplexen Vorgänge des dynamischen Magmas im Erdinneren fast ausschließlich auf sekundäre Messungen beschränkt: Kameras und GPS-Messungen erfassen beispielsweise, wie sich die auch in ruhigen Zeiten feststellbaren Gesteine an der Oberfläche durch die magmatischen Untergrund-Aktivitäten verschieben, bis heute sind natürlich auch Seismographen ein zentrales Messinstrument der Vulkanologen, die mit diesen Geräten die Bewegungen im Untergrund immer genauer dokumentieren können, und dann ist noch das Feld der Erdbeobachtung von oben, mit Satelliten und Flugzeugen. Entgegen früherer Ansicht weiß man inzwischen, dass die verflüssigte Magma im Untergrund von Vulkanen nicht in großen Kammern sitzt, sondern sich eher wie ein schwammartiges Netz durch die darunter liegende Erdkruste zieht. Die chemische Zusammensetzung der Magma beeinflusst dabei nicht nur die Art und Weise, wie der Berg Feuer speit und die Lava dann abfließt. Sie ist auch für die geologischen Prozesse im Untergrund entscheidend, sind Vulkanologen inzwischen überzeugt. Deshalb liegt die magmatische Petrologie derzeit voll im Forschungstrend.
Lava-Abfluss am Kilauea auf Big Island von Hawaii – gehärtet zu ästhetisch höchst beindruckenden abstrakten Naturformen.
Für meine hier gezeigte Reportage habe ich mit zwei jungen Vulkanologinnen an der ETH Zürich sprechen können, die auf magmatische Petrologie spezialisiert sind. Die Sendung habe ich in Kooperation mit Spektrum der Wissenschaft gemacht – anlässlich des inzwischen erschienenen Artikels Bis zum nächsten großen Knall rund um die Forschungen nach der Eruption des Mount St. Helens im Jahr 1980.
Der Sprechertext zur Sendung ist wie immer bei HYPERRAUM.TV zu finden.
Zitat: Bis heute aber bleibt die ultimative Frage unbeantwortet, ob und vor allem wann ein Vulkan tatsächlich ausbricht.
Ja und die Verteilung/Bewegung des Magmas und der Gasanteil im Magma des Magmareservoirs scheinen eine wichtige Rolle zu spielen um einen Ausbruch hervorsagen zu können. Seismographische Messungen und photographische und Radarvermessungen der Vulkanoberffläche können aber die Verteilung des Magmas und seinen Gasanteil nicht bestimmen. Das kann dagegen die Myonentomographie, die jetzt immer häufiger eingesetzt wird und die beispielsweise anhand der Magmaverteilung des Asama vor und nach dem Ausbruch im Jahr 2009 die Quelle des beim Ausbruch ausgeworfenen Magmas bestimmen konnte (Zitat Radiographic visualization of magma dynamics in an erupting volcano, übersetzt von DeepL):
Das System zur Überwachung der Muographie nahm sowohl vor als auch nach dem Asama-Ausbruch 2009 Bilder auf, und das Verschwinden von Material im nördlichen Teil der Magma-Lagerstätte wurde entdeckt. Eine petrologische Studie der Ejekta der Eruption 2009 zeigte, dass sie mit der alten Magma-Lagerstätte übereinstimmte, die bei der Eruption 2004 entstanden war, und lieferte eine Bestätigung dieses Verschwindens.
Die Myonentomographie nutzt die etwa 100 hochenergetischen Myonen, die pro Sekunde einen Quadratmeter der Erdoberfläche durchdringen und die in etwa 15 km Höhe beim Auftreffen von kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre entstehen. Die Myonen können hunderte bis tausende von Metern Erdmaterial durchdringen bevor sie absorbiert werden. Mehrere hintereinander parallel angeordnete Myonensensorplatten können die Richtung des Myonenstrahls uns seine Intensität bestimmen und diese Intensität hängt stark von der Dichteverteilung des passierten Materials ab, also davon ab, ob der Myonenstrahl durch einen Festkörper, durch Magma oder Gas durchging. Ein You Tube Video, das den praktischen Einsatz der Myonentomographie zeigt, befindet sich hier.
In sehr tiefe Erdregionen kann die Myonentomograhie allerdings nicht sehen, denn dort kann man den Myonendetektor nicht platzieren. Hier könnte die Neutrinotomographie helfen, denn Neutrinos durchdringen die ganze Erde, sind allerdings nur mit sehr grossen Detektoren messbar. Neutrino stammen grossteils von der Sonne und diese solaren Neutrinos haben eine kleine Energie und fliegen fast unbehelligt durch die Erde. In Neutrinofabriken hergestellte Neutrinos wären für die Neutrinotomographie wesentlich interessanter, denn man könnte die dabei erzeugten Neutrinostrahlen gezielt durch eine Vulkanbasis lenken und das erst noch in der richtigen Energie, die zu einer optimalen Absorption führt. Allerdings ist das Zukunftsmusik, denn Neutrinofabriken kosten hunderte von Millionen Dollar und ihre Technologie ist erst theoretisch verstanden, praktisch gibt es sie noch nicht.
wow, Herr Holzherr, Neutrinotomographie, davon hatte ich noch nie gehört! Die Autorin sagt Dank.
Seismische Tomographie ist ebenfalls geeignet die Geologie an der Basis des Vulkans zu untersuchen. Dabei werden an mehreren Orten registrierte natürliche und künstliche Erdbebenstösse genutzt um aus Stärke und zeitlicher Verschiebung der ankommenden Erdbebenwelle die Eigenschaften des Volumens zu bestimmen, die von den Erdbebenwellen durchlaufen werden. Multiscale Seismic Tomography Imaging of Volcanic Complexes zeigt, was alles möglich ist. Allerdings gibt es viele Gründe, warum seismische Wellen abgelenkt werden oder schneller/langsamer laufen. Die Myonentomograhpie liefert bessere Aussagen, wenn es um die Dichteverteilung im Untergrund geht, denn Myonen laufen auf geraden Linien und werden proportional zu den Dichteverteilungen im Vulkan absorbiert (verschluckt).