Einblick in einen pyroklastischen Strom

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Pyroklastische Ströme sind eine ziemlich zerstörerische vulkanische Aktivität. Auch wenn vielleicht die meisten Menschen mit einem Vulkan glühende Lavaströme als Hauptgefahr ansehen. Vor den meisten Lavaströmen kann man zu Fuß noch gut flüchten. Pyroklastische Ströme sind deutlich schneller als fließende Lava. Doch sie sind nicht so leicht zu erforschen.

Pyroclastic flows at Mayon Volcano
Pyroklastischer Strom am Mayon, Philippinen. Foto von C.G. Newhall/USGS [Public domain], via Wikimedia Commons
Vor einiger Zeit hatte ich hier im Blog die Wirkung pyroklastischer Ströme auf den menschlichen Körper zum Thema. Wenn man die Geschichte verheerender Vulkanausbrüche anschaut, so dürften es es in den überwiegenden Fällen pyroklastische Ströme gewesen sein, die zu den größten Schäden und den größten Verlusten an Menschenleben geführt haben. Geschätzte 50% der Todesfälle durch Vulkanismus gehen auf ihr Konto. Lahare stehen vermutlich erst an zweiter Stelle und die Lavaströme, die vermutlich die meisten Leute mit Vulkanausbrüchen in Verbindung bringen, sind da weit abgeschlagen.

Die Gesteine, die aus den Ablagerungen der pyroklastischen Ströme entstehen, werden Ignimbrite genannt, von lat. ignis = Feuer und nimbus = Wolke. Das größte Ignimbritgebiet der Erde befindet sich in den zentralen Anden. Dort bedecken känozoische Ignimbrite ein Gebiet von rund 150 000 km 2 . Dabei werden sie oft mit riesigen Calderen in Verbindung gebracht, wie z.B. die Cerro-Galán Caldera im Nordwesten Argentiniens mit einem Durchmesser von 34 Kilometern und einem sie umgebenden Ignimbritgürtel von 70 Kilometern Radius. Ihrer Größe nach stellen die Ablagerungen der pyroklastischen Ströme die nach den Trappbasalten flächengrößten Vulkanbauten auf den Kontinenten dar. Ihre Bedeutung wird jedoch meist übersehen, da von den mächtigen Ignimbritdecken der Vergangenheit meist nur noch kümmerliche Reste zu finden sind, denn Ignimbrite werden leicht ein Opfer der Erosion.

pyroklastische Ströme, Ablagerungen, Fiascone,
Ablagerungen pyroklastischer Ströme, Fiascone, Lago Bolsena Gebiet, Italien. Eigenes Foto

Wenn man aber ihr todbringendes und zerstörerisches Potential betrachtet, so kann es schon verwundern, dass wir erst so spät von ihnen erfuhren, und dass wir bis heute so wenig über ihre interne Dynamik wissen. Der erste pyroklastische Strom wurde am Cotopaxi in Ecuador beobachtet und als “Schaum wie bei einem überkochendem Reistopf” beschrieben. Richtig in das Bewusstsein der Vulkanforscher gelangten sie erst 1902, als der Mt. Pelée auf Martinique ausbrach. Hier wurde der Begriff nuée ardente ( = coulée pyroclastique = pyroklastischer Strom) geprägt. Erst im Nachhinein wurden bei verschiedenen historischen Vulkanausbrüchen wie bei dem des Vesuv im Jahre 79 die pyroklastischen Ströme als Ursache der Verheerungen dingfest gemacht.

Die pyroklastischen Ströme sind nur sehr schwer zu beobachten. Das eigentliche Geschehen ist dabei meist unter dichten Wolken aus heißen Gasen und Aschenpartikeln verborgen, wie hier am Sinabung (oder hier und hier)gut zu erkennen. Dies macht Beobachtungen im Feld zu einer sehr gefährlichen und fast unmöglichen Angelegenheit, selbst wenn ein Beobachter das Glück hat, einen Strom aus nächster Nähe zu betrachten, und dieses auch noch lange genug überlebt, um davon zu berichten.

Diesen Umstand will ein Team von Wissenschaftlern der Massey Universität von Neuseeland und des Georgia Institute of Technology beenden, indem sie pyroklastische Ströme im Modellmaßstab bei unterschiedlichen Temperaturen und Dichten experimentell erzeugen und dann von ihrer Entstehung bis zur Ablagerung beobachten. Dazu wurden in einem alten Kesselhaus 1,5 Tonnen Bims einen 12 m langen, schmalen Kanal geschüttet.

Die bisherigen Ergebnisse sind durchaus überraschend.
Die Vermutung, dass sich pyroklastische Ströme in einen turbulenten oberen Teil und einen nicht turbulenten Unterstrom aufteilen, hatte man schon länger aus Beobachtungen realer Ströme sowie von Untersuchungen der daraus entstehenden Gesteine geschlossen. Neu war aber die Entdeckung einer Zwischenzone zwischen diesen beiden Bereichen. Dieser Bereich ist ist für die zerstörerische Wirkung der Ströme entscheidend. Hier werden Unterstrom und die turbulente obere Region miteinander Verbunden und es entstehen mesoskalige Turbulenzcluster. In diesen dendritischen Strukturen bzw. Wellen aus Partikeln wird die Energie des Stromes auf die Partikel übertragen. In dieser Zone wird der Übergang der Partikel in den dichten Unterstrom begrenzt, wo sie den größten Schaden anrichten können.

Die verbesserten Kenntnisse über die innere Dynamik können neue Wege in der Vorhersage zu pyroklastischen Strömen und ihrem Verhalten ermöglichen, um beispielsweise die gefährdeten Zonen um Vulkane besser einschätzen zu können und die betroffenen Anwohnern der betreffenden Vulkane gezielter zu schützen.

Breard, E., Lube, G., Jones, J., Dufek, J., Cronin, S., Valentine, G., & Moebis, A. (2016). Coupling of turbulent and non-turbulent flow regimes within pyroclastic density currents Nature Geoscience DOI: 10.1038/ngeo2794

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

2 Kommentare

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