Yellowstone: wie schnell kann der Supervulkan erwachen?

Einer der größten Vulkane der Welt schlummert unter der landschaftlichen Idylle des Yellowstone Nationalparks in den USA. Die Caldera des Supervulkans entdeckte man erst vor wenigen Jahrzehnten auf Satellitenfotos: so gewaltig ist der Einsturzkessel, dass Wissenschaftler lange Zeit den Vulkan vergeblich suchten, obwohl sie mitten drin standen. Vulkanische Gesteine zeugen nicht nur von den 3 Supervulkaneruptionen des Vulkans, die sich in den letzten 2,1 Millionen Jahren ereigneten, sondern auch von zahlreichen normal großen Ausbrüchen. Seit der letzten Supervulkaneruption von 640.000 Jahren sind den Vulkanologen 23 normal große Vulkanausbrüche bekannt. Der Letzte dieser Ausbrüche fand vor gut 70.000 Jahren statt und viele Forscher fragen sich, wie lange der Nächste noch auf sich warten lässt.

Heiße Quellen und Geysir als Spuren des Vulkanismus im Yellowstone Nationalpark. © Marc Szeglat
Heiße Quellen und Geysir als Spuren des Vulkanismus im Yellowstone. © Marc Szeglat

Anzeichen für ein mögliches Erwachen des Vulkans werden schon seit längerem immer wieder beobachtet. So bildete sich im Bereich des Yellowstone-Sees eine Bodenaufwölbung, im Norris Geyser Basin entstanden neue Fumarolen und immer wieder kam es zu leichten Schwarmbeben. Eine Frage die sich in diesem Zusammenhang stellt ist die, wie viel Zeit zwischen den ersten Anzeichen des Erwachens bis zum Ausbruch vergeht.
Petrologin Christy Till von der „School of Earth and Space Exploration“ kann diese Frage möglicher Weise beantworten. Die Professorin sammelte Lavaproben im Yellowstone und untersuchte die Kristalle der Lava im Labor. Sie identifizierte die Wachstumszonen der Kristalle, die Ähnlichkeiten mit den Jahresringen von Bäumen haben und rekonstruierte ihre Geschichte mit Hilfe des NanoSIMS (Nano Sekundärerionen-Massenspektrometer). Bei ihren Forschungen konzentrierte sich die Petrologin auf die Frage, wie lange es dauert bis das bereits erstarrte Magma in der Magmakammer schmilzt und eruptiert wird, wenn sich die Kammer nach einer langen Ruheperiode des Vulkans erneut aufheizt. Dabei fand sie heraus, dass bei der letzten Eruption die in der Magmakammer wieder aufgeschmolzenen Kristalle innerhalb von 10 Monaten nach der beginnenden Aufheizung eruptiert wurden. Dieses Ergebnis überraschte zahlreich Forscher, nahm man bisher doch an, dass dieser Prozess deutlich mehr Zeit benötigen würde.

Falschfarbenbild zonierter Pyroxen-Kristalle. Die konzentrischen Schichten entstanden durch erneutes Wachstum der Kristalle als frisches Magma in die  Magmakammer strömte. © Kate Saunders, University of Bristol/spektrum.de

Diese Ergebnisse lassen sich sicherlich nicht 1:1 auf jeden Ausbruch des Yellowstone-Vulkans übertragen, liefern aber doch einen Anhaltspunkt über die zeitliche Dimensionen und der Vorwarnzeit die bleibt um zu reagieren. Nur muss man sich nun die Frage stellen, ab wann die Uhr tickt? Anzeichen, dass sich unter dem Yellowstone-Vulkan neues Magma ansammelt, welches die Magmakammer aufheizt gibt es ja immer wieder.

Quelle: Arizona State University.

Vulkanologie: neuer Auslöser von Eruptionen entdeckt

Einem internationalen Team von Wissenschaftlern der Universitäten von Liverpool, Monash und Newcastle ist es gelungen einen weiteren Auslöser von Vulkanausbrüchen zu entschlüsseln. Die Wissenschaftler sagen, dass das Verständnis von Auslösemechanismen der Eruptionen enorm dazu beiträgt Vulkanausbrüche vorherzusagen. Eine präzise Vorhersage hilft den Schaden zu minimieren, der durch Vulkanausbrüche entstehen kann: weltweit leben mehr als 600 Millionen Menschen im Umfeld aktiver Vulkane. Alleine durch die Eyjafjallajökull-Eruption im Jahr 2010 entstand durch Flugausfälle ein wirtschaftlicher Schaden von 1,8 Milliarden USD.

Diese senkrecht verlaufenden Gesteinsrippen nennt man Dykes, oder Magmatischen Gang. Sind sie um 90° gedreht bilden sie flache bänge und werden Sills genannt. © Marc Szeglat
Diese senkrecht verlaufenden Gesteinsrippen (Bildmitte) nennt man Dykes, oder Magmatische Gänge. Sind sie um 90° gedreht bilden sie flache Bänke und werden Sills genannt. © Marc Szeglat

Da die wenigsten Prozesse die im Erdinneren ablaufen direkt beobachtet oder gemessen werden können, entwickeln die Forscher immer neue Modelle und Computersimulationen. Die Wissenschaftler der drei genannten Universitäten schufen ein Vulkanmodel in dem sie speziell das Verhalten von Magma im Fördersystem untersuchen wollten. Dazu füllten sie Gelatine in einem Tank und injizierten gefärbtes Wasser in die Masse. Mittels Zeitlupenkamera und Laser beobachteten sie das Bewegungsverhalten des Wassers (Magmas) in miteinander verbundenen Frakturen, die zuvor in der Gelatine modelliert wurden. Die vertikal verlaufenden Risse heißen in der Fachsprache Dykes, die Horizontalen werden Sills genannt. Letztere bilden eine flach liegende Fläche im Gestein, die man mit einem Kohleflötz vergleichen kann. Die Sills füllen sich mit Magma, wenn der vertikale Aufstieg des Magmas in den Dykes ins Stocken kommt. Neu ist die Beobachtung, dass es im Magma in den Dykes zu einem plötzlichen Druckabfall kommt, wenn es seitwärts in die Sills abfließt. Dadurch wird der altbekannte Prozess in Gang gesetzt, der schon seit langem als Auslöser explosiver Eruptionen bekannt ist: Druckentlastung. Durch den hydrostatischen Druckabfall bilden sich schlagartig Gasblasen im Magma. Unter hohem Druck war das Gas bislang im Magma gelöst. Die aufsteigenden Gasblasen lassen das Magma aufschäumen und der Gasdruck treibt es durch den Förderschlot. Der Vulkan bricht aus. Diesen Vorgang kann man einfach nachvollziehen, wenn man eine gut geschüttelte Sektflasche öffnet. Der Korken knallt raus und das Kohlendioxidgas treibt den aufgeschäumten Sekt (Lava) aus dem Flaschenhals (Vulkanschlot).

Doch was nützen diese Erkenntnisse aus dem Labor bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen? Schließlich kann man die Prozesse im Erdinneren nicht visuell beobachten. Doch die Wissenschaft entwickelt immer genauere Messverfahren um den Vulkanen den Puls zu fühlen. In erster Linie geben die verschiedenen Arten von Erdbebenwellen Auskunft über das Geschehen im Erdinneren. Vulkanische Erdbeben zeigen an das Gesteine bersten und Risse entstehen. Tremor (beständiges Zittern des Bodens) wird durch die Bewegung von Fluide (Flüssigkeiten, Gas, Magma) ausgelöst. Mittels GPS Messungen von Satelliten lassen sich kleinste Bodendeformationen beobachten. Aufwölbungen im Boden zeigen, wo sich Magma sammelt und wie es sich bewegt. Wichtig sind auch Gasmessungen. Ändern sich der Gasfluss und das Verhältnis bestimmter Isotope, dann kann Magma auf dem Weg sein.

Das Alles macht aber auch deutlich, wie schwierig eine verlässliche Prognose eines bevorstehenden Vulkanausbruches ist. Jahrzehntelanges Studium ist nötig, um die Anzeichen richtig zu deuten, zumal Vulkane Individualisten sind. Die neuen Erkenntnisse lösen das Puzzlespiel der Dynamik eines Vulkanausbruches ein wenig besser auf und helfen den Wissenschaftlern das System Erde besser zu verstehen. Dennoch ist es oft schwierig die komplexen Abläufe der Erddynamik mit einfachen Modellen zu simulieren. Eine 1:1 Übertragung der neuen Erkentnisse auf bevorstehende Vulkanausbrüche dürfte schwierig sein und nicht immer gelingen.

Quelle: Das Wissenschaftsteam veröffentlichte die Ergebnisse ihrer Arbeit in der Online-Zeitschrift geology.com.

Anmerkung: der Begriff Dyke, bzw. Magmatischer Gang tauchte oft in der Berichterstattung zur Holuhraun-Eruption am Bardarbunga auf.

Ferroperiklas: Sperrschicht im Erdmantel

Schalenbau der Erde. © fotolia.comEin internationales Forscherteam der Universitäten von Bayreuth und Salt Lake City erzeugten in einem Hochdruck-Experiment ein Mineral, dass möglicher Weise hilft einige geowissenschaftliche Rätsel zu lösen. So rätselten Wissenschaftler über eine mangelnde Materialdurchmischung im Erdmantel, obwohl doch Konvektionsströme das plastische Gestein vertikal durchmischen sollten. Diese schlechte Durchmischung spiegelt sich u.a. im Magma ozeanischer Vulkane wieder: einige diese Vulkane fördern Lava aus relativ jungem Magma, während Andere Gesteinsschmelzen ans Tageslicht bringen die sehr lange im Erdinneren verweilten und aus großen Tiefen stammten. Seismische Untersuchungen brachten die Erkenntnis, dass das Gesteinsmaterial, das an Subduktionszonen in den Erdmantel abtaucht oft nur bis in Tiefen von 1000 km eindringt und nur unzureichend aufgeschmolzen wird. Eine Art Barriere scheint ein weiteres Abtauchen des subduzierten Materials zu verhindern.

Das neu entdeckte Mineral mit dem Namen Ferroperiklas soll Schuld an der schlechten Durchmischung des Mantelmaterials sein. Die Forscher erzeugten im Labor Ferroperiklas, dessen chemische Zusammensetzung bereits bekannt war. Allerdings kannte niemand seine molekulare Kristallstruktur, welche sich erstmals im Hochdruckexperiment manifestierte. Dazu wurden die chemischen Bausteine des Ferroperikals Millionenfachem Atmosphärendruck ausgesetzt. Ferroperiklas ist Hauptbestandteil des unteren Erdmantels und sollte sich dort eigentlich in Abhängigkeit von Druck und Temperatur relativ homogen verhalten. Doch bei Drücken, wie sie in einer Tiefe zwischen 1500 und 1700 km herrschen, ist das Mineral besonders zäh. Bei geringeren, oder höheren Drücken (Tiefen) ist die Zähigkeit des Minerals deutlich niedriger. Mischt man Ferroperiklas noch mit dem Mantelmineral Bridgmanit wird es sogar bis zu 300 Mal zäher, als das umgebende Mantelgestein. Zwischen 1500 und 1700 km Tiefe vermuten die Forscher also eine Art Sperrschicht aus Ferroperiklas und ggf. Bridgmanit. Es behindert den Materialaustausch und könnte auch eine thermische Barriere darstellen.

Sollten sich die Forschungsergebnisse der Wissenschaftler um Hauke Marquardt und Lowell Miyagi bewahrheiten, dann müssten die Erdkunde-Lehrbücher umgeschrieben werden. Dem Schalenbau der Erde müsste eine weitere Schicht hinzugefügt werden. Vermutlich sind auch die Temperaturen unterhalb der neuen Schicht höher, als bisher angenommen. Sie würde auch neue Fragen aufwerfen: bisher glaubte man, dass radioaktiver Zerfall im Erdinneren dafür sorgt, dass sich die Erde noch nicht weiter abgekühlt hat. Wenn nun eine thermische Sperrschicht angenommen wird, müssen die bestehenden Modelle überarbeitet werden, denn dann wären die Temperaturen unterhalb der Sperrschicht wahrscheinlich deutlich höher, als bisher gedacht. Schon jetzt vermutet man, das es im Erdkern zwischen 5000 und 6000 Grad Celsius heiß ist.

(Quellen: Huffington Post, scincexx.de)

Tschurjumow-Gerasimenko: Philae soll landen

Dieses Bild Nahm Rosette Anfang August auf. © ESAUpdate 18.00 Uhr: trotz beschädigter Düse ist die Landung von Philae geglückt! Das Minilabor ist auf dem Kometen 67P fest verankert. Allerdings gab es Probleme mit der Verankerung. Erste Fotos der Kometenoberfläche werden für 19 Uhr erwartet. Der Kontakt ist verfrüht abgebrochen und Fotos konnten nicht übermittelt werden. Einige Messinstrumente arbeiteten trotz der Schwierigkeiten. Die ESA vergleicht die Bedeutung dieses Ereignisses mit der ersten Mondlandung 1969.

Originalmeldung: heute könnte der Grundstein für die Beantwortung einer der wichtigsten Fragen der Wissenschaft gelegt werden: der Lösung nach der Frage des Ursprungs des Lebens. Um diese Frage zu beantworten, schickte die ESA vor 10 Jahren die Raumsonde Rosetta auf den Weg zum Kometen Tschurjumow-Gerasimenko. Heute setzt die Raumsonde den Lander Philae ab. In einem komplizierten Manöver soll das autonome Minilabor auf dem Kometen Landen. Da auf dem 4 km durchmessenden Himmelskörper nur eine sehr geringe Schwerkraft wirkt, muss sich Philae selbst mit Harpunen und Eisschrauben am Untergrund verankern. Ansonsten droht die Gefahr, dass der Lander in den Weltraum zurück hüpft. Allerdings stehen die Sterne schlecht für Philae, denn in der Nacht stellte man fest, dass eine wichtige Düse des Ladesystems nicht funktioniert. Diese Düse sollte den Lander auf den Kometen drücken, während sich dieser verankert. Trotz des Defektes entschloss man sich die Landung zu Riskieren.

Sollte die Landung glücken, untersucht Philae Proben des Kometen. Die Wissenschaftler wählten Tschurjumow-Gerasimenko aus, weil sie annehmen, dass er direktes Überbleibsel aus der Zeit der Planetenbildung unseres Sonnensystems ist. Es soll untersucht werden, ob der Komet neben Wasser auch chemische Bausteine für die Entstehung von Leben enthält. Außer der göttlichen Genesis existieren bisher 2 Modelle, wie das Wasser und chemische Bausteine des Lebens auf unseren Planeten gekommen sein könnten: eine Theorie besagt, dass Kometen wie Tschurjumow-Gerasimenko die Lebensgrundsteine auf die Erde brachten, eine Andere, dass Vulkane Wasser ausschwitzten und das es in der Nähe von hydrothermalen Quellen zur Entstehung erster Mikroben kam, aus denen sich das vielfältige Leben unseres Planeten entwickelte.

Der Komet wurde nach seinen beiden Entdeckern Tschurjumow und Gerasimenko benannt, die ihn 1969 aufspürten. Bei den Wissenschaftlern trägt er das Kürzel 67P als Namen. 67P befindet sich auf halbem Weg zwischen Mars und Jupiter und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 55.000 Kilometern auf das Innere Sonnensystem zu.

Ersten Erkenntnissen zu Folge, besteht der kleine Himmelskörper aus weniger Eis, als angenommen. Dafür ist die Oberfläche weitaus staubiger (Gesteinsstaub) als gedacht. Die Landestelle auf dem erdnussförmigen Kometen steht schon lange fest und ist im Bordcomputer einprogrammiert. Wissenschaftler befürchten, dass es dort sehr staubig sein könnte. In diesem Fall wird Philae Probleme haben sich sicher zu verankern. Da die Funksignale zwischen Sonde und Erde ca. 25 Minuten unterwegs sind, können die Forscher im Kontrollzentrum in Darmstadt nicht eingeifen, wenn bei der Landung etwas schief geht.

Die Raumsonde bekam ihren Namen nach dem berühmten Rosetta-Stein. Mit diesem archäologischen Fund aus Ägypten gelang die Entschlüsselung der Hieroglyphen. Um sie zu dekodieren wurden aber noch Chiffren von einem Obelisken benötigt, der auf der Insel Philae gefunden wurde.

Ich bin gespannt, ob die Forschungsergebnisse dieser Mission zu einem Paradigmawechsel führen werden, oder ob die Astronauten und Vulkanauten an ihrer jeweilig präferierten Schöpfungstheorie festhalten.

Magmakammer des Supervulkans Toba erforscht

Der Tobasee füllt einen Großteil der Toba-Caldera. © Marc SzeglatDie Eruption des Tobas auf Sumatra, brachte die junge Menschheit vor 72.000 Jahren an den Rand des Aussterbens. Die Eruption förderte so viel Vulkanasche und Gase, dass sie die Sonne auf Jahre verdunkelte. Die globalen Temperaturen sanken um mehrere Grad und es wurden die kältesten Jahre der Eiszeit ausgelöst. Genanalysen zeigten, dass alle heute lebenden Menschen von einer kleinen Gruppe von ungefähr 1000 Überlebenden der Katastrophe abstammen. Alle anderen Menschen starben in Folge der Naturkatastrophe.

So ein gigantischer Vulkanausbruch kann sich jederzeit wiederhohlen. Daher stehen die Supervulkane im Fokus der Vulkanologen. Man möchte die Mechanismen verstehen, die hinter diesen katastrophalen Eruptionen stecken. Supervulkane brechen nach sehr langen Ruhephasen aus. Diese betragen mindestens mehrere 10.000 Jahre, oft sogar Hunderttausende, oder Millionen Jahre. Viel Zeit also, dass sich gigantische Magmamengen im Untergrund ansammeln. Besonders gut überwachte Supervulkane sind der Yellowstone-Vulkan, der Taupo, der Toba und die Phlegräischen Felder bei Neapel. Vor wenigen Jahren entdeckte man eine besorgniserregende Magma-Ansammlung in den Anden bei Bolivien: der schlafenden Vulkan Uturuncu bläht sich wie ein Hefeknödel auf. Pro Sekunde strömt ca. 1 Kubikmeter Lava in eine Magmakammer, die in ca. 15 km Tiefe liegt. Dabei hebt sich nicht nur der Berg um 1 – 2 cm pro Jahr, sondern das gesamte Umland.

So stellt man sich die Magmakamemr vor. © GFZ - KoulakovUm zu verstehen, wie solche Magma-Ansammlungen von statten gehen und wann ein Supervulkan ausbricht, untersuchten Forscher des GFZ Potsdam nun den Untergrund um den Toba-Vulkan. Sie installierten ein dichtes Netz aus Seismographen, welches Erdbebenwellen registriert. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Erdbebenwellen von der Dichte des Mediums, durch das sie fließen abhängig ist, kann man mit Hilfe der Laufzeitunterschiede der Wellen ein 3 dimensionales Bild des Untergrundes erzeugen. Diese Untersuchungsmethode nennt man „seismische Tomographie“. Die deutschen Forscher um Christoph Sens-Schönfelder entdeckten am Toba-See erstaunliches: dort liegt ein riesiges Magma-Reservoire, dass eine Breite von 50 km hat. In den oberen 7 Kilometern liegen Trümmer, die bei der Caldera-Bildung in die Magmakammer stürzten. Darunter befinden sich mehrere Stockwerke in denen Gesteinsplatten liegen die Magma enthalten. Die Forscher bezeichnen diese Magma-haltigen Gesteinsschichten selbst als „Riesenpfannkuchen“. Man geht davon aus, dass sich diese Magma-Schichten vor der Eruption bis kurz unter die Erdoberfläche fortsetzten. So sammelten sich über Jahrmillionen 2.800 Kubikkilometer Magma an. Was letztendlich der Auslöser der Eruption war, konnten die Forscher nicht enthüllen.

Diesbezüglich gibt es Arbeiten von Forschern aus der Schweiz. Sie vermuten, dass der Dichteunterschied zwischen dem Magma und dem umgebenden Gestein reicht, um eine Supervulkaneruption auszulösen.

Quelle: GFZ-Potsdam & Spektrum.de

Wissenschaft: von Ziegen und Drohnen

Deutsche Forscher arbeiten derzeit an 2 interessanten Projekten, um den Vulkane besser den Puls zu fühlen:

Die traurigen Überreste einer Ziege am Ätna. © Marc SzeglatDer Biologe Prof. Martin Wikelski benutzt Ziegen als tierische Frühwarnsysteme zur Vorhersage von Vulkanausbrüchen. Am Ätna beobachtete er Ziegen, die schon einige Zeit vor einer Eruption unruhig wurden und Deckung suchten. Diese tierischen Instinkte wollte Wikelski nutzbar machen und er rief das Projekt „Disaster Alert Mediation using Nature“ (kurz Damn) ins Leben. Er stattet Ziegen am Ätna mit GPS-Halsbändern auf und restellte Bewegungsprofile, anhand derer er das Verhalten der Tiere untersuchte. Wikelski stellte fest, dass die Ziegen tatsächlich vor eine Vulkanausbruch flüchteten. Jetzt wird geprüft, ob das Ziegenfrühwarnsystem auch anderswo funktioniert. (Quelle nationalgeografic.de)

Bei der 2. Meldung spielen Drohnen eine Rolle. Allerdings sind hier keine faulen Bienenmännchen gemeint, sondern fleißige Flugroboter. Wissenschaftler um Professor Wolfgang Rüther-Kindel sind dabei, eine Drohne zu entwicken, die in Aschewolken von Vulkanausbrüchen fliegen soll um Daten zu sammeln. Die Drohne verfügt über Elektromotoren und soll selbständig mehrere Stunden auf 5000 m Höhe operieren können. Die Drohne könnte z.B. auf Island zum Einsatz kommen. Das Projekt wird vom Bundesforschungsministerium mit 324.000 € gefördert. (Quelle: Lausitzer Rundschau)

Yellowstone Caldera: neue Forschungsergebnisse zur Magmakammer

Computermodelle der Magmakammer unter dem Yellowstone-Vulkan. &copy: Farrell u.a.Eine Forschergruppe um Jamie Farrell wertete seismische Daten aus, die zwischen 1984 und 2011 in der Yellowstone-Caldera gesammelt wurden. Diese Daten wurden herangezogen, um mittels Computer ein tomographisches Bild der Magmakammer unter dem Yellowstone zu erstellen. Dies gelingt, da sich Erdbebenwellen in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell ausbreiten. In Zonen mit geringerer Dichte breiten sich die Erdbebenwellen langsamer aus, als in Bereichen mit hoher Dichte. Durch minimale Laufzeitunterschiede können die Forscher verschiedene Gesteinsarten detektieren und insbesondere Fluide und Gesteinsschmelzen lokalisieren. Untersuchungen dieser Art wurden in den letzten Jahren häufiger durchgeführt, doch meistens ging es bei diesen Arbeiten um die Tomografie des Mantelplume und nicht um die oberflächennahe Magmakammer. Farrell und seine Kollegen werteten besonders viele seismische Daten aus und konnten so bestehende Modelle erweitern und verfeinern. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die Magmakammer unter dem Yellowstone-Vulkan noch größer ist, als bisher angenommen. Besonders auffällig ist eine Zone mit geringer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Erdbebenwellen an der Nordost-Grenze der Caldera. Diese liegt nahe der Oberfläche und scheint mit Fluiden gefüllt zu sein. Bei diesen Fluiden kann es sich um Magma, oder (und) hydrothermalen Lösungen handeln. Die Forscher geben die Maße der Magmakammer so an: 90 km lang, zwischen 5 und 17 km tief, Insgesamt 2,5 fach größer als bisher angenommen. Der Magmakörper erstreckt sich 15 km des nordöstlichen Calderarandes.

Die Verlagerung der Magmakammer in Richtung Nordosten hängt mit der Plattentektonik zusammen. Während der Mantelplume unter Yellowstone ortskonstant ist, wandert die Platte über ihn hinweg und das Eruptionszentrum verlagert sich an der Oberfläche.
Das Volumen der Magmakammer schätzen die Forscher auf 200 – 600 Kubikkilometer. Von den Gesteinen der Magmakammer sollen ca. 5-15% geschmolzen sein. Bisher ging man davon aus, dass die Magmakammer weniger Material enthalte, das aber ca. 32% geschmolzen sei. Einigen Studien zufolge müssen ca. 40% Schmelze in der Magmakammer vorhanden sein, bevor es zu einem Vulkanausbruch kommen kann. Es gibt aber auch Schätzungen, nachdem dafür weitaus weniger Schmelze ausreichend ist.

Damit ein Magmakörper aus größeren Tiefen aufsteigen kann sind ca. 5% Schmelze nötig. Das restliche Magma ist aufgrund der Hitze plastisch. Damit dieses Material in der Magmakammer schmelzen kann sind Temperaturen von mehr als 700 Grad nötig. Studien von anderen Vulkanen zeigen, dass das Magma in der Magmakammer nur während 1% seiner Verweildauer in der Kammer zum größten Teil geschmolzen ist. Die Zeitspanne, während der es überhaupt zur einem Vulkanausbruch kommen kann, ist somit relativ kurz.

Allerdings haben erst kürzlich Forschungen an der ETH Zürich gezeigt, dass weder der Schmelzanteil, noch der Gasdruck alles bestimmende Größen sind, ob und wann ein “Supervulkan” eruptiert. Die Wissenschaftler um Carmen Sanchez-Valle machten Laborexperimente mit Lava aus „Supervulkan-Eruptionen“. Sie kamen zu dem Schluss, dass allein schon der Dichteunterschied eines großen Magmakörpers zum Umgebungsgestein ausreichen kann, um eine Eruption auszulösen. Die Wissenschaftler vergleichen den Magmakörper mit einem Fußball, den man unter Wasser drückt und loslässt. Im Wortlaut erklärt das Sanchez-Valle so: “Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer ausreichenden Größe der Magmakammer alleine der durch Dichteunterschiede verursachte Überdruck genügt, um die darüber liegende Kruste zu durchbrechen und eine Eruption in Gang zu setzen”. Wieviel Magma in der Kammer geschmolzen sein muss, erklären die Forscher aber nicht.

Eine aktuelle Meldung des USGS sorgt für weiteren Diskussionsstoff: demnach änderte sich die Richtung der Bodendeformation im Norden der Yellowstone-Caldera. Nach einem mittelstarken Erdbeben der Magnitude 4,8 verschob sich die Bodendeformation um 0,5 cm in westlicher Richtung und um 1 cm Richtung Norden. Zuvor verschob sich der Untergrund in südlicher Richtung. Der Trend zur Inflation schlug in Deflation um: der Boden sackte um 2 cm ein, womit er gut ein Drittel der Aufwölbung verlor, die sich in den letzten 8 Monaten gebildet hatte. Die seismische Tätigkeit war recht hoch und konzentrierte sich auf einem Gebiet in der Nähe des Norris Geyser Basins.

Aus den neuen Forschungsergebnissen und Beobachtungen kann man ableiten, dass sich Magma im Untergrund des Yellowstone Nationalparks bewegt. Einen Vulkanausbruch mit globalen Folgen halte ich in mittelbarer Zukunft für sehr unwahrscheinlich. Es könnten sich aber durchaus lokale Magma-Ansammlungen mit genug Schmelze bilden, die einen normalen Vulkanausbruch verursachen könnten.

Weiterführende Links:

Steckbrief Yellowstone

Bildergalerie Yellowstone

Quellen: USGS, Wired Eruptions, nature.com, Geophysical Research Letters:
“Tomography from 26 years of seismicity revealing that the spatial extent of the Yellowstone crustal magma reservoir extends well beyond the Yellowstone caldera.”

Vulkanologie: neuer Satellit gestartet

Sentinel-1. © ESADie ESA hat am 3. April einen neuen Satelliten in die Erdumlaufbahn gebracht, der Vulkanologen helfen soll Prognosen zu bevorstehenden Vulkanausbrüchen zu erstellen. Der Satellit „Sentinel 1A“ untersucht die Erdoberfläche mit hochauflösenden Radarmessungen, die jede noch so kleine Bodendeformation nachweisen können. Diese werden an Vulkanen durch Magma-Bewegungen im Untergrund hervorgerufen und gelten als Indiz für eine bevorstehende Eruption. Strömt Magma in eine Magmakammer, oder ins Fördersystem des Vulkans bläht sich der Boden, bzw. das Vulkangebäude auf. Der Vulkanologe spricht dann von „Inflation“. Fließt Magma ab, sinkt der Boden ein und man spricht von „Deflation“. Beides hat Auswirkungen auf die Hangneigung des Vulkans. Diese wird nicht in Grad angegeben, sondern als Radiant (Winkel im Bogenmaß). Die resultierenden Änderungen bewegen sich meistens im mikro-rad-Bereich. Der Satellit ist also in der Lage kleinste Bodenveränderungen zu registrieren. Das bringt für die Wissenschaftler den großen Vorteil, dass aufwendige Vermessungsarbeiten am Vulkan entfallen. Bisher mussten dazu GPS Messungen an fest definierten Messpunkten vorgenommen werden. Mit dem Sentinel-Satelitten können so auch entlegenen Vulkane genau überwacht werden, die über kein Observatorium verfügen.

Wie wichtig die Messung von Bodendeformationen an Vulkanen ist, belegt eine Studie von Wissenschaftlern der School of Earth Sciences um Dr. Juliet Biggs. Sie wendeten ein medizinisches Statistikprogramm auf Deformationsmessungen von 500 Vulkanen an, die in den letzten 18 Jahren durchgeführt wurden. Sie belegten, dass 46% der Vulkane ausbrachen, bei denen eine Bodendeformation gemessen wurde. 96% der Vulkane ohne Bodendeformation blieben ruhig.

Der Zusammenhang zwischen Bodendeformation und Eruption ist umso eminenter, desto kürzer der Eruptionszyklus des Vulkans ist. Bei Vulkanen, die zwischen zwei Eruptionen lange ruhen (Bsp. Yellowstone) scheint der Zusammenhang nicht so naheliegend zu sein. Hier kann auch Bodendeformation gemessen werden, ohne dass es mittelbar zu einem Vulkanausbruch kommt. Bei diesen Vulkanen fehlen allerdings auch Vergleichswerte, da noch kein Mensch die Ausbrüche lang ruhender Vulkane beobachtet hat.

Die Messung von Bodendeformationen ist nur ein kleiner Aufgabenbereich des neuen Satelliten. Dieser wurde als erster Satellit der Copernicus-Mission gestartet. Die Mission soll die gesamte Erdoberfläche im Auge behalten und in der Lage sein, alle 3 Tage ein neues Oberflächenbild von Europa zu liefern. Die Daten können nicht nur zur Messung der Bodendeformation genutzt werden, sondern auch Erosion nachweisen, oder zur Spionage genutzt werden.

Ätna: neue Gefahrenkarten

Es sind 2 interessante Forschungsberichte des INGV bei nature.com erschienen, die ich hier im 1000 Beitrag des Blogs kurz zusammenfassen möchte.

Mit Hilfe von Radarsatelliten wie Envisat und Cosmo-Sky Med wird ein gravimetrischer Fingerabdruck des Vulkans erstellt. Es werden kleinste Schwankungen im Schwerefeld des Ätnas registriert, die Rückschlüsse über Ort und Menge des Magmas im Untergrund zulassen. Diese Technik könnte helfen Vulkanausbrüche mit größerer Genauigkeit vorherzusagen. Bisher war es nur möglich Magma-Ansammlungen zu lokalisieren die bereits zu deutlichen Bodendeformationen führten. Oft überlagern sich entsprechende Deformationen. Mit Hilfe der neuen gravimetrischen Methode ist es leichter den Vulkan permanent zu beobachten und Computermodelle der Veränderungen zu erstellen.

Eine andere Forschergruppe des INGV beschäftigte sich mit der Erstellung von Gefahrenkarten künftiger Lavaströme. Zur Erstellung der Karten kamen unterschiedliche Arbeitsweisen zur Anwendung. Am Anfang stand eine genaue Untersuchung der historischen Ereignisse der letzten 2000 Jahre, wobei die Daten seit dem 17. Jahrhundert am genausten sind. Im Computer wurden numerische Simulationen und Wahrscheinlichkeits-Analysen erstellt. Mit diesen Daten wurden die möglichen Wege neuer Lavaströme vorhergesagt, sowie die räumliche und zeitliche Wahrscheinlichkeit in Bezug auf die Öffnung von Förderschloten. Die Karten zeigen die Gefahrenzonen und möglichen Wege der Lavaströme für Flankeneruptionen und für Ausbrüche im Gipfelbereich des Vulkans.

Eine Erkenntnis der Forschungsarbeit ist, dass der Ätna in den letzten 400 Jahren sehr unregelmäßig Ausbrach und sich unterschiedlich verhielt. 1971 ist der Vulkan in eine besonders aktive Phase eingetreten, in der es zu 17 Ausbrüchen entlang der Hauptbruchzone kam. Für die nächsten 50 Jahre erwarten die Wissenschaftler, dass sich die meisten Förderschlote in einer Höhe oberhalb von 2500 m öffnen werden. Die Öffnung neuer Förderschlote in Höhen unterhalb von 1000 m ist recht unwahrscheinlich. Die meisten Lavaströme werden ins Valle del Bove fließen. Zafferana und Santa Venerina sind die Ortschaften die das höchste Gefahrenpotenzial aufweisen von einem Lavastrom zerstört zu werden. Nicolosi, Ragalna, Fornazza und Linguaglossa könnten ebenfalls noch von Lavaströmen touchiert werden. Die restlichen Ortschaften liegen außerhalb des direkten Gefahrenbereiches, oder soweit unten an der Vulkanflanke, dass die Wahrscheinlichkeit von einem Lavastrom erreicht zu werden relativ gering ist.

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Meldungen aus der Wissenschaft

In der letzten Woche gingen einige interessante Berichte durch die Medien, die ich hier einmal zusammenfassen möchte.

Eine Meldungen betrifft ein unterseeisches Vulkanmassiv: Tamu. Dieses liegt im Pazifik gut 1000 km vor der japanischen Küste. Tamu hat eine Fläche von 310.000 Quadratkilometern und erhebt sich 3,5 km über den Meeresboden. Das Vulkanmassiv ist schon länger bekannt, doch erst jetzt untersuchten Forscher Lavaproben. Sie kamen zu dem Schluss, dass Tamu nicht aus mehreren Vulkanen besteht, wie es bisher angenommen wurde, sondern dass es sich um einen einzigen Vulkan handelt. Damit wäre Tamu der größte Zentralvulkan der Erde. Und nicht nur das! Flächenmäßig  ist Tamu größer als Olympus Mons auf dem Mars und damit der größte Vulkan des Sonnensystems.

Wir bleiben bei Japan. Ein 400 Seiten umfassender Bericht warnt vor einem starken Erdbeben entlang des Nankai-Grabens. Der Graben erstreckt sich vor der Ostküste Japans und beginnt südlich von Tokio und endet bei Kyushu. Ein Beben der Magnitude 9 wäre hier durchaus denkbar und hätte weitaus dramatischere Folgen als das Erdbeben vom März 2011. Es könnte einen Tsunami auslösen, der Küstenabschnitte bis in einer Höhe von 30 m überflutet und gut 320.000 Menschen töten. Auch eine neue Atomkatastrophe wäre durchaus möglich.

Von Japan geht es Richtung Griechenland, genauer zur Vulkaninsel Santorin. Hier entdeckten Wissenschaftler die verkohlten Überreste eines Zeitzeugen der Minoischen Eruption: Bruchus rufipes, ein Samenkäfer. Dieser wurde Opfer des Ausbruches und befand sich zur Zeit der Eruption in einem Topf voller Erbsen. Dieser Topf wurde jüngst in einer Ruine der unter Asche begrabenen Stadt Akrotiri ausgegraben. In dem Erbsentopf befanden sich nicht nur ein Käfer, sondern gleich 286 fertig entwickelte Insekten, sowie deren Laven und Eier.  Das sich die Samenkäfer nur in freier Umgebung vermehren und die Entwicklungszyklen der Insekten bekannt sind, lässt sich anhand der Eier und Laven in den Erbsen die Jahreszeit der Minoischen Eruption bestimmen: es geschah ein einem Tag im Frühsommer!