Vulkanologie: Neues aus Wissenschaft und Forschung

In dieser Kategorie lest ihr über neue Forschungsergebnisse der Geowissenschaftler, die in Studien zur Vulkanologie und Seismologie veröffentlicht wurden.

Yellowstone-Caldera: Magma verlagert sich nordostwärts

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Kalksinter-Terrassen der Mammoth Hot Springs im Yellowstone Nationalpark. ©  Marc Szeglat

Neue Studie enthüllt eine nordostwärts gerichtete Verlagerung der Magmenreservoirs unter dem Yellowstone-Vulkan

Die Yellowstone-Caldera ist in den letzten Jahren ein wenig aus dem Fokus der Medien verschwunden, obgleich sie weiterhin ein spannende Forschungsobjekt bleibt. Der US-amerikanische Yellowstone Nationalpark beherbergt eines der größten und aktivsten Vulkansysteme der Erde. Es besteht aus 3 sich überlappenden Calderen, und wird durch den sogenannten Yellowstone-Hotspot gespeist – eine Zone, in der heißes Magma aus dem Erdmantel aufsteigt und die Erdkruste durchdringt. Die Calderen entstanden durch mehrere massive Ausbrüche (sogenannte Supervukaneruptionen), bei denen große Mengen Tephra freigesetzt wurden. Durch die Entleerung des Magmenreservoirs sackte der Boden darüber ab und bildete die großen Depressionen der Calderen. Diese Supervulkan-Ereignisse, die vor etwa 2,1 Millionen, 1,3 Millionen und 640.000 Jahren stattfanden, haben Tausende Kubikkilometer Lava und Asche freigesetzt und dabei das lokale und globale Klima stark beeinflusst.




Zusätzlich zu diesen drei großen Supervulkaneruptionen gab es zahlreiche kleinere Ausbrüche, die weniger explosiv, aber dennoch bedeutend waren. Diese Ereignisse wurden durch rhyolithisches Magma verursacht, das in der mittleren bis oberen Erdkruste gespeichert ist. Rhyolithisches Magma ist dickflüssig und silikatreich, was es anfällig für explosive Ausbrüche macht. Gleichzeitig steigt Basaltmagma aus dem Mantel auf, das dünnflüssiger ist und durch seinen hohen Eisen- und Magnesiumgehalt Wärme liefert, die das rhyolithische Magma aufrechterhält.

Neueste Untersuchungen des United States Geological Survey (USGS) legen nahe, dass sich die magmatische Aktivität unter der Yellowstone-Caldera in nordöstliche Richtung verlagert. Mithilfe einer elektromagnetischen Untersuchungsmethode, die Magnetotellurik genannt wird, die Schwankungen im Erdmagnetfeld misst, konnten die Forscher die Struktur der Kruste und die Verteilung des Magmas unter der Caldera präzise modellieren.

Die Studie, die unter Leitung von Seismologin Ninfa Bennington durchgeführt wurde, identifizierte mindestens sieben Bereiche mit erhöhtem Magmagehalt unter der Caldera. Diese Regionen reichen von tiefen Zonen, etwa 47 Kilometer unter der Oberfläche, bis in flachere Bereiche, die sich nur 4 Kilometer unter der Erdoberfläche befinden. Einige dieser Magmenkörper sind miteinander verbunden und tauschen Wärme und Material aus. Besonders auffällig ist ein großes Magmareservoir unter dem nordöstlichen Bereich der Caldera. Dieses enthält schätzungsweise 440 Kubikkilometer geschmolzenes Gestein – ein Volumen, das dem des Mesa-Falls-Ausbruchs vor etwa 1,3 Millionen Jahren entspricht, dem zweitjüngsten calderabildenden Ereignis in Yellowstone.

Gleichzeitig deutet die Studie darauf hin, dass die vulkanische Aktivität im westlichen Teil der Caldera abnimmt. Die nordöstliche Region zeigt dagegen verstärkte Wechselwirkungen zwischen aufsteigendem Basaltmagma und dem gespeicherten rhyolithischen Magma. Diese Wechselwirkungen könnten das Gebiet für zukünftige Ausbrüche anfällig machen. Dennoch weisen die Forscher darauf hin, dass die aktuellen Magmenreservoire einen vergleichsweise niedrigen Schmelzanteil von 6–28 Prozent aufweisen. Das deutet darauf hin, dass die Reservoirs aktuell nicht ausbruchsgefährdet sind. Damit ein Magma eruptieren kann, braucht es einen Schmelzanteil von mindestens 35 Prozent.

Die Forschungsergebnisse liefern wichtige Hinweise darauf, wie sich die magmatische Aktivität unter der Yellowstone-Caldera entwickelt. Sie betonen auch die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen, um die Dynamik des Magmareservoirs besser zu verstehen und das potenzielle Risiko zukünftiger Ausbrüche präziser einschätzen zu können.

Antarktis: Klimawandel verstärkt Vulkanismus

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Neue Studie lässt Rückkopplungseffekt zwischen Eisschmelze und Vulkanismus der Westantarktis vermuten

Unter dem westantarktischen Eisschild verbirgt sich entlang eines Riftsystems eine erst vor wenigen Jahren entdeckte Vulkankette, die aus 138 Vulkanen besteht. Einer dieser Vulkane ist der seit Langem bekannte Mount Erebus, der sich am Nordrand des Eisschildes befindet und einen kleinen Lavasee beherbergt. Doch das vermeintlich „ewige“ Eis scheint nicht so beständig zu sein, wie noch vor wenigen Jahrzehnten angenommen. Der Klimawandel greift den über 1.000 Meter dicken Eispanzer der Westantarktis zunehmend an.




Studien aus der Andenregion belegen, dass die Eisschmelze am Ende der letzten Eiszeit dort zu verstärktem Vulkanismus führte. Forscher konnten einen Zusammenhang zwischen der Auflast des Eises auf vulkanischen Gebieten und der Aktivität der Vulkane nachweisen. Solange die Eismassen auf die Erdkruste drücken, wird Magma in Reservoirs komprimiert, was die vulkanische Aktivität hemmt. Schmilzt das Eis jedoch, vermindert sich die Auflast, wodurch das Magma in oberflächennahen Speichersystemen dekomprimiert wird und sich ausdehnt. Durch diese isostatische Druckentlastung steigt das Magma leichter auf. Gleichzeitig bilden sich durch die Dekompression vermehrt Gasblasen, was den Gasdruck im Magmenkörper erhöht und letztlich zu einem Vulkanausbruch führen kann.

Eine neue Studie von A. N. Coonin, C. Huber und J. Troch (Brown University, USA) zeigt anhand von Computersimulationen, dass es in der Westantarktis zu einem Rückkopplungseffekt zwischen Eisschmelze und vulkanischen Eruptionen kommen kann. Schmilzt das Eis, steigen die Magmenreservoirs unter den Vulkanen aufgrund der isostatischen Druckentlastung auf und geben vermehrt Erdwärme ab, was die Eisschmelze beschleunigt. Subglaziale Eruptionen verstärken diesen Effekt zusätzlich, indem sie die Eisschmelze weiter beschleunigen und die eruptive Aktivität weiter anregen.

Ein Prozess, warum mit einer erhöhten vulkanischen Aktivität zu rechnen ist, findet sich in der Entgasung des Magmas, wenn sich die Magmenkörper weiter nach oben bewegen: Durch eine Verminderung des Kompressionsdrucks bilden sich im Magma Gasblasen, wodurch der Gasdruck im Reservoir steigt, was letztendlich zu Vulkanausbrüchen führt.

Dieser Prozess könnte sich derart verstärken, dass ein Kollaps des westantarktischen Eisschildes innerhalb weniger Jahrhunderte möglich wird. Ein solcher Zusammenbruch würde den Meeresspiegel weltweit um bis zu 58 Meter ansteigen lassen, was das Ende vieler Küstenmetropolen wie New York, Sydney und Tokio bedeuten könnte.

Obwohl geologische Prozesse oft in Millionen Jahren gemessen werden und selbst das Schmelzen großer Eisschilde Jahrtausende dauert, warnen die Forscher, dass bereits um das Jahr 2300 ein kritisches Stadium des westantarktischen Eisschildes erreicht sein könnte. (Quelle der Studie: AGU)

Studie löst Rätsel um Hungersnot nach Vulkanausbruch 1831

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Wissenschaftliches Rätsel um Hungersnot 1832-37 gelöst – Kurilenvulkan als Verursacher identifiziert

In den vergangenen Jahrhunderten kam es mehrfach zu globalen Temperaturrückgängen, die infolge von ungewöhnlich starken Vulkanausbrüchen zustande kamen. Die bekanntesten dieser Hungersnöte, die sich auch auf Europa auswirkten, wurden durch die Ausbrüche der Laki-Spalte im Jahr 1783 und der Tambora-Eruption 1815 verursacht. Eine weitere vulkanisch bedingte Klimakatastrophe mit Hungersnot ereignete sich zwischen 1832 und 1837. Diese Hungersnot wirkte sich vor allem auf Südostasien und insbesondere auf Indien und Japan aus. Es kam aber weltweit zu Einbußen von Ernteerträgen und zu starken Wintern sowie zu einer globalen Abkühlung von bis zu 1 Grad.




Nun machten Forscher der schottischen Universität St. Andrews eine Entdeckung im ewigen Eis Grönlands, das aufgrund des anthropogenen Klimawandels ja nicht mehr so ewig zu sein scheint: In Eisbohrkernen entdeckte das Forscherteam um Dr. Will Hutchison Schwefeldioxidspuren und mikroskopische Ascheablagerungen vulkanischen Ursprungs. Die Eisschichten mit den Ablagerungen wurden auf das Jahr 1831 datiert. Die Schwefeldioxidkonzentrationen im Eis wiesen darauf hin, dass es auf der nördlichen Hemisphäre zu einem starken Vulkanausbruch gekommen sein musste, der gut 13 Teragramm Schwefeldioxid in die Atmosphäre eintrug. Eine Menge, die jener des Pinatubo-Ausbruchs aus dem Jahr 1991 nahe kommt. Auch dieser Vulkanausbruch bedingte einen globalen Temperaturrückgang.

Die Analyse der Vulkanasche zeigte, dass sie ungewöhnlich wenig Kalium enthielt, weshalb andere verdächtige Vulkane ausschieden und den Fokus auf die Kurilenvulkane nördlich von Japan lenkten. Letztendlich wurde der Zavaritski-Vulkan auf der Insel Simushir als Verursacher der katastrophalen Eruption identifiziert. Simushir liegt nördlich der japanischen Insel Hokkaido und ist heute unbewohnt. Der Zavaritski-Vulkan besteht zum großen Teil aus drei ineinander verschachtelten Calderen mit den Durchmessern von 10, 8 und 3 Kilometern. Die kleinste Caldera ist vermutlich bei einem hochexplosiven Ausbruch im Frühjahr 1831 entstanden und somit für den globalen Temperaturrückgang verantwortlich.

In meinen Augen ist es schon auffällig, dass es im späten 18. und im 19. Jahrhundert vergleichsweise viele starke Vulkanausbrüche gab, die sich aufs globale Klima auswirkten. Entweder gab es eine Periode mit besonders starker eruptiver Tätigkeit, oder starke Eruptionen mit einem VEI 6+ sind doch häufiger, als Statistiken bis jetzt belegen. Hutchinson ist der Meinung, dass eine Serie klimabeeinflussender Eruptionen die ca. 500 Jahre dauernde kleine Eiszeit verlängert haben könnte.

Eine weitere Erkenntnis der Studie ist, dass auch vergleichsweise weit im Norden liegende Eruptionen das weltweite Wettergeschehen beeinflussen können. Bis jetzt ist man davon ausgegangen, dass die Vulkane in Äquatornähe liegen müssen, damit sie globale Auswirkungen auf das Klima haben.

Die Studie ist übrigens in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences erschienen.

Vulkaneifel: Studie entdeckt magmatische Fluide in der Tiefe

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Das Schalkenmehrener-Maar im Westen der Vulkaneifel. © Marc Szeglat

Neue Bearbeitung alter seismischer Daten enthüllt magmatische Fluide unter dem Westen der Vulkaneifel

In der Vulkaneifel zeugen zahlreiche Maare und Krater von der einstigen vulkanischen Aktivität. Die letzten Eruptionen in der Eifel manifestierten sich vor ca. 11.000 Jahren, als das Ulmener Maar entstand: Erdgeschichtlich betrachtet ist das ein Wimpernschlag lang her. Dennoch gibt es die wissenschaftliche Definition, dass ein Vulkan, der über 10.000 Jahre lang ruht, als erloschen anzusehen ist. Laut Definition braucht man also nicht mit einem neuen Ausbruch des Ulmener Maars zu rechnen. Davon abgesehen sind die meisten Vulkane der Eifel monogenetischer Natur und durchlebten nur eine Eruptionsphase. Dafür manifestierten sich innerhalb von 65.000 Jahren etwa 70 Vulkanausbrüche. Bedeutet die 10.000-Jahre-Ruhe-Definition nun, dass das gesamte Vulkanfeld erloschen ist, oder kann es doch zu einer Reaktivierung kommen? Eine durchaus relevante Frage, mit der sich die Wissenschaft schon länger befasst.

Ein Forscherteam um Dario Eickhoff vom Geophysikalischen Institut der Uni Karlsruhe untersuchte in einer neuen Studie alte seismische Reflexionsdaten, die bereits 1987 im Rahmen einer groß angelegten Studie erfasst wurden. Mit Hilfe neu entwickelter seismischer Verarbeitungs- und Bildgebungsverfahren visualisierte man auffällige Strukturen im oberen Erdmantel und in der Erdkruste. Die Datenanalyse ergab zahlreiche Reflexionen mit umgekehrter Polarität in der Lithosphäre.

Diese Reflexionen wurden unter Verwendung petrophysikalischer Modelle als Hinweise auf Zonen mit magmatischen Fluiden interpretiert, die sich als horizontal ausgedehnte, sillartige (linsenförmige) Strukturen darstellen. Bei magmatischen Fluiden kann es sich um Magma handeln, aber auch um andere flüchtige Substanzen bzw. Flüssigkeiten. Unter den hohen Temperatur-/Druckbedingungen in der Asthenosphäre verwandeln sich selbst Gase wie Kohlendioxid zu Fluiden und verhalten sich mehr wie eine Flüssigkeit denn wie ein Gas. Darüber hinaus wurden in etwa 31 km Tiefe (dem Grenzbereich zwischen Erdkruste und oberem Erdmantel) seismische Reflexionen festgestellt, die auf das Vorhandensein von Flüssigkeiten oder Schmelzen aus dem oberen Erdmantel hindeuten. Diese Ergebnisse unterstützen Modelle, die von magmatischen Unterschichten unterhalb des Vulkanfelds der Westeifel ausgehen.

Zusammenfassen lässt sich sagen, dass die moderne Interpretation alter seismischer Daten stark reflektierende Strukturen in Tiefen von 10 bis 30 km unter dem jüngsten Teil des Westeifel-Vulkanfeldes aufspürte. Besonders auffällig sind Signale mit umgekehrter Polarität, die darauf hindeuten, dass magmatische Schmelze, Flüssigkeiten oder Gase in der Tiefe vorhanden sind. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Notwendigkeit, das Potenzial für künftige Vulkanausbrüche in der Region bei Gefahrenbewertungen für Mitteleuropa zu berücksichtigen. In welchem Zeitrahmen die Vulkane der Westeifel erwachen könnten, darüber gibt die Studie keine Auskunft. Auch wenn keine unmittelbare Gefahr droht, wäre es meiner Meinung nach möglich, dass sich das innerhalb weniger Jahrzehnte ändern könnte. (Quelle: AGU)

Forscher finden lavaähnliches Gestein in der MAPCIS

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Forscher entdeckten Schmelzgesteine in der Massive Australian Precambrian-Cambrian Impact Structure

Noch bevor sich höher entwickeltes Leben auf der Erde formte, könnte ein katastrophales Ereignis von unvorstellbarem Ausmaß stattgefunden haben, das sowohl die Geologie unseres Planeten als auch die Evolution des Lebens nachhaltig beeinflusst haben könnte. Hinweise auf dieses Ereignis wurden im Jahr 2010 entdeckt, als Forscher mehrere geologische Anomalien in Australien untersuchten. Zunächst hielt man diese Anomalien für voneinander unabhängig. Nach eingehender Analyse stellte sich jedoch heraus, dass sie zu einer übergeordneten Struktur mit einem Durchmesser von etwa 600 Kilometern gehören. Inzwischen gibt es die Hypothese, dass es sich dabei um einen gigantischen Einschlagskrater eines Asteroiden handelt.

Der Einschlag soll sich vor etwa 1 Milliarde bis 538,8 Millionen Jahren ereignet haben, also im Übergangszeitraum zwischen dem Präkambrium und dem Kambrium. Diese Struktur wird als Massive Australian Precambrian-Cambrian Impact Structure (MAPCIS) bezeichnet.

Im Präkambrium existierte noch kein komplexes Leben auf der Erde. Der Planet war von Mikroorganismen dominiert, während sich die ersten mehrzelligen Organismen allmählich entwickelten. Gegen Ende des Präkambriums, vor etwa 720 bis 635 Millionen Jahren, ereignete sich die sogenannte Schneeball-Erde-Phase – eine Periode globaler Vereisung mit weitreichenden Auswirkungen auf die Entwicklung des Lebens. Im Übergang zum Kambrium, vor etwa 541 Millionen Jahren, fand die sogenannte kambrische Explosion statt, eine Phase, in der sich eine Vielzahl komplexer Lebensformen entwickelte. Dies wirft die Frage auf, ob der Einschlag eines gewaltigen Asteroiden die vollständige Vereisung der Erde mitverursacht haben könnte.

Wissenschaftler der Virginia Commonwealth University, darunter Daniel Connelly und Dr. Arif Sikder, widmen sich der Erforschung der geologischen Beweise, die die Einschlag-Theorie untermauern könnten. Zu diesen Beweisen zählen massive Ablagerungen von Pseudotachylit-Brekzie und Schmelzgestein, die in der Nähe des vermuteten Kraterzentrums gefunden wurden. Zusätzlich entdeckten die Forscher geschockte Mineralien wie Lonsdaleit und Iridium, die charakteristische Merkmale eines Asteroideneinschlags sind.

Tachylit ist ein schwarzgrünes bis schwarzes vulkanisches Glas mit basaltischer Chemie, das ähnlich wie Obsidian entsteht. Pseudotachylit hingegen bildet sich normalerweise entlang von Störungszonen durch Reibungshitze. Im Fall der MAPCIS-Struktur wird angenommen, dass die enorme Wärmeenergie des Impakts die Entstehung dieser Gesteinsart ausgelöst hat.

Laut den Forschern könnten die Daten zur MAPCIS-Struktur wertvolle Einblicke in die geologischen Prozesse liefern, die die Erdkruste formten. Darüber hinaus könnten sie die wissenschaftliche Untersuchung der geologischen Vergangenheit der Erde erheblich vorantreiben.

Die Zentrum der MAPCIS-Struktur liegt im australischen Northern Territory, etwa auf halbem Weg zwischen Uluru (Ayers Rock) und Mount Conner. Sollte sich die Impakt-Theorie bestätigen, dann wäre es der größter Impakt-Krater auf der Erde. Aufgrund des enormen Alters ist die Impaktstruktur aber nicht mit dem bloßen Auge sichtbar, auch nicht auf Satellitenfotos. (Quelle: www.sci.news)

Island: Bardarbunga lädt auf

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Erdbeben und Bodenhebung am Bardarbunga deuten auf Magmenaufstieg hin

Zwei Tage nach dem vergleichsweise starken Erdbeben der Stärke 5,1, das sich unter dem subglazialen Vulkan Bardarbunga auf Island ereignete, äußerten sich Experten in der isländischen Zeitung MBL. Benedikt Gunnar Ófeigsson, Deformationsspezialist beim IMO, und der inzwischen emeritierte Geophysik-Professor Páll Einarsson kommentierten unabhängig voneinander die Ereignisse am Vulkan unter dem Gletscher Vatnajökull. Beide sind der Meinung, dass die seismische Aktivität in diesem Jahr mindestens genauso hoch ist wie unmittelbar nach der Holuhraun-Eruption im Jahr 2014.

Sie gehen davon aus, dass die Erdbeben – in diesem Jahr wurden vier Erschütterungen mit Magnituden im Bereich um 5 registriert – durch aufsteigendes Magma verursacht werden. Die Schmelze sammelt sich in einem flach liegenden Magmenkörper unter der Caldera und übt von unten Druck auf das Calderadach aus. Dieses Dach wird von einem ringförmigen Störungssystem umgeben, das durch den Druck von unten unter Spannungen gerät und diese Spannungen durch Erdbeben abbaut. Bei stärkeren Erdbeben kann es zu Gesteinsbrüchen in diesen Störungen kommen, und es ist nachgewiesen, dass es dabei zu einem vertikalen Versatz des Calderadaches im Bereich der Epizentren kommen kann.

Die tektonischen Prozesse der Caldera wurden bereits in Studien untersucht. Eine dieser Studien, die mir von Mike Schüler aus unserer Facebook-Gruppe empfohlen wurde, fokussierte sich auf mehrere stärkere Erdbebenphasen vor und nach der Eruption, insbesondere auf Vorgänge im südlichen Bereich der Calderaringstörung. Das wesentliche Ergebnis der Studie zeigt, dass sich die Bewegungsrichtungen während und nach der Eruption umgekehrt haben: Während der Eruption kam es zu einer Abwärtsbewegung, danach zu einer Aufwärtsbewegung. Diese Umkehrung wurde durch InSAR- und GPS-Messungen bestätigt und deutet darauf hin, dass sich die Caldera nach der Eruption infolge des Magmenaufstiegs wieder aufbläht. Die Ähnlichkeit der Bruchzonen und ihrer Ausrichtungen in beiden Phasen legt nahe, dass dieselbe Verwerfung am Calderarand erneut aktiv ist. Die Studie wurde im Oktober 2022 veröffentlicht.

Aus den aktuellen Äußerungen der beiden Experten lässt sich schließen, dass die Aktivität inzwischen zugenommen hat und sich die Hebung der Caldera beschleunigt. Direkt nach der Eruption wurde angenommen, dass es möglicherweise Jahrhunderte dauern würde, bis Bardarbunga wieder für eine Eruption bereit ist. Diese Einschätzung scheint mittlerweile überholt, und es wird angedeutet, dass eine neue Eruption viel früher als bisher angenommen erfolgen könnte. (Studie: https://doi.org/10.1029/2021GL097613)

Hunga-Tonga-Ha’apai: Eruption sorgte für Plankton-Explosion

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Vulkanausbruch des Hunga-Tonga- Hunga Ha’apai düngte die Meere und verursachte Vermehrung von Phytoplankton – klimatische Auswirkungen wahrscheinlich

Über die größte Eruption seit der Tambora-Katastrophe im Jahr 1815 habe ich auf Vnet bereits viel geschrieben und auch über die möglichen Auswirkungen des Ausbruchs vom Hunga Tonga-Hunga Haʻapai auf das Weltklima spekuliert. Auch führende Wissenschaftler beschäftigen sich intensiv mit den Folgen dieses Ereignisses und forschen in verschiedenen Bereichen. Ein Aspekt der Eruption, der in den letzten Monaten von einer internationalen Forschergruppe um Studienleiterin Zhouling Zhang von GEOMAR untersucht wurde, ist die explosionsartige Vermehrung von Phytoplankton: Bereits zwei Tage nach der Vulkankatastrophe, die die umliegenden Inseln des Königreichs Tonga verwüstete, Tsunamis auslöste und unvorstellbare Mengen Asche, Gas und Wasserdampf in die Atmosphäre schleuderte, begann eine massive Phytoplanktonblüte.

Dieses stark wachsende Plankton wurde zunächst auf Satellitenbildern in der Umgebung des Vulkans nachgewiesen und breitete sich in den folgenden Wochen und Monaten weiter aus. Zunächst war die betroffene Fläche etwa 61.000 Quadratkilometer groß und somit etwas kleiner als das Bundesland Bayern.

Die Wissenschaftler führten diese Entwicklung auf den Vulkanausbruch zurück. Die Eruption setzte etwa 2,9 Milliarden Tonnen Tephra frei, die sich über den Südpazifik verteilte und schließlich abregnete. Vulkanisches Material ist reich an Mineralien, die sowohl auf Land als auch im Meer als Dünger wirken. Im Fall des Phytoplanktons spielten insbesondere Eisen und das Spurenelement Neodym eine zentrale Rolle, da sie die Ozeane mit Nährstoffen anreicherten und so die Vermehrung des Planktons auslösten. Mit den Meeresströmungen verteilten sich die Nährstoffe bis vor die Küste des äquatorialen Südamerikas.

Mit Hilfe von Computersimulationen fanden die Forscher heraus, dass die durch den Ausbruch eingebrachten Nährstoffe der natürlichen jährlichen Nährstoffzufuhr der Region entsprachen. Dadurch stand dem Phytoplankton die doppelte Menge an Nährstoffen zur Verfügung, was die außergewöhnliche Blüte erklärte.

Diese Phytoplanktonblüte könnte sich auch auf das Weltklima auswirken. Die gute Nachricht: Phytoplankton absorbiert durch Photosynthese Kohlendioxid und spielt eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Frühere vulkanische Ereignisse, wie der Ausbruch des Mount Pinatubo 1991, führten zu einer messbaren Verlangsamung des Anstiegs des atmosphärischen CO₂. Der Ausbruch des Hunga Tonga-Hunga Haʻapai im Januar 2022 könnte ähnliche Effekte haben, indem er die biologische Produktivität der Ozeane steigert und so deren Fähigkeit zur CO₂-Aufnahme verbessert. Dies könnte indirekt zu einer globalen Abkühlung oder zumindest zu einer Verlangsamung der Erderwärmung beitragen. Allerdings hat der Ausbruch auch direkte Auswirkungen auf die Atmosphäre, deren genauer Umfang noch erforscht wird.

Ein bislang wenig beachteter Aspekt der Phytoplanktonblüte ist ihre potenzielle Auswirkung auf die Albedo des Meerwassers. Ein dichter Planktonteppich verändert die Lichtreflexion an der Wasseroberfläche, wodurch weniger Licht und Wärme ins Weltall zurückgeworfen werden. Dies könnte dazu beitragen, die Wassertemperatur zu erhöhen. Erst kürzlich berichteten Wissenschaftler über einen plötzlichen Anstieg der Meerestemperaturen im März 2023, der schwer zu erklären ist. Damals wurde eine Erhöhung der Wassertemperaturen in vielen Ozeanen um bis zu 1,5 Grad gemessen, und die Werte sind seither kaum gesunken. Derzeit wird dies hauptsächlich dem anthropogenen Klimawandel zugeschrieben. Dennoch erscheint es zumindest überlegenswert, ob es einen Zusammenhang mit der massiven Vermehrung des Phytoplanktons geben könnte.

Generell ist Phytoplankton essenziell für das Leben auf der Erde: 50 bis 80 Prozent des durch Photosynthese produzierten Sauerstoffs stammen von diesen winzigen Organismen. Gleichzeitig bildet es die Grundlage des marinen Nahrungskreislaufs. Allerdings sterben die riesigen Planktonmassen irgendwann ab und verbrauchen bei ihrer Zersetzung nicht nur Sauerstoff, sondern setzen auch CO₂ und organische Substanzen frei, die wiederum als Nährstoffe dienen. Ein Teil des toten Planktons sinkt in die Tiefsee, wo es unter anaeroben Bedingungen konserviert werden kann. Mit der Zeit und unter Sedimentabdeckung können auf diese Weise Erdöl- und Gasvorkommen entstehen.

Die Auswirkungen des Vulkanausbruchs könnten also weitreichender und komplexer sein, als es auf den ersten Blick scheint. (Quelle der Studie: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52904-3)

Erdmantel möglicherweise homogener als angenommen

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Studie zur Zusammensetzung des Erdmantels anhand von Lavaproben von Hot-Spot Vulkanen verändert möglicherweise das Weltbild

Über die genaue Beschaffenheit des Erdmantels und die Entstehung von Magma wurde schon so mach eine Studie erstellt, doch bis jetzt sind einige Aspekte der Magmen-Entstehung genauso rätselhaft wie die genaue Beschaffenheit des Erdmantels, in dem sich die Schmelze durch komplexe Vorgänge bildet und verändert. Bisherige Modelle, die die Entstehung von Magma an sogenannten Hotspots erklären sollten, könnten dabei unnötig komplex sein, wie eine Studie des Schwedischen Naturkundemuseum zeigt, die im September in Nature Geoscience veröffentlicht wurde und nun durch die Deutsche Presse geistert.

Die Geowissenschaftler Prof. Smit und Dr. Kooijman untersuchten Lavaproben von ozeanischen Hotspot-Vulkanen die für gewöhnlich basaltischer Natur sind sich aber in ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden können, wobei es hauptsächlich zu großen Unterschieden in den Konzentrationen von Spurenelementen, Radiogenen und Isotopen kommt. Um diese unterschiedliche Zusammensetzungen zu erklären, nahm man bislang an, dass das Material des Erdmantels, aus dem die Hotspots bzw. Mantelplumes aufsteigen heterogener Zusammensetzung ist. Um diese Zusammensetzung zu erklären, bediente man sich Konstrukten von verschiedene Magmendomänen und alten „primordiale Reservoire“ im Erdmantel.

Als „primordiales Reservoir“ bezeichnet man eine Magmaquelle im Erdmantel, die seit der Entstehung der Erde nahezu unverändert geblieben sein soll. Solche Reservoirs wären theoretisch Überreste des Urmantels, der sich kurz nach der Entstehung der Erde bildete und seitdem nicht durch die Prozesse der Mantelkonvektion durchmischt wurde. Generell ist es aber schwer zu erklären, warum diese Durchmischung ausgeblieben sein sollte.

Die Forscher der Studie zeigten nun in einem mathematischen Modell, dass die chemischen Variationen der grundlegend basaltischen Laven, die von Vulkanen wie jenen auf Hawaii und den Kanaren gefördert werden aus einem einheitlichen Magma hervorgehen, das sich während des Aufstiegs vor der Eruption an einem Vulkan, durch Reaktion mit den umgebenden Gesteinen chemisch verändert.

Dies lässt darauf schließen, dass der Erdmantel chemisch viel homogener ist, als bisher angenommen, und dass basaltische Lava erst auf ihrem Weg zur Oberfläche ihre charakteristische chemische Zusammensetzung annimmt.

Die neue Untersuchung stellt die bisherigen Annahmen zu Hotspot-Lava und dem Erdmantel grundlegend infrage. Die Forschenden vergleichen dies mit der Evolution des Menschen, die einen gemeinsamen Ursprung hat und sich in unterschiedlichen Regionen unterschiedlich entwickelte.

Die Studie liefert auch neue Erkenntnisse über Verbindungen zwischen ozeanischer Hotspot-Lava (OIBs) und bestimmten kontinentalen Basaltlaven, die beispielsweise diamanthaltige Kimberlite enthalten. Diese unterschiedlichen Laven könnten denselben „magmatischen Ursprung“ haben.

Diagramm zur Entstehung und Differentiation der Ozeanischen Inselbasalte. © nature.com/ Matthijs A. Smit & Ellen Kooijman

Wo genau der Ursprung der primären Schmelzen liegt und wie er aussieht, darüber gibt die Studie allerdings keine genaue Auskunft. Und ganz ohne Konstrukte kommt das mathematisch erstellte Modell des Erdmantels dann doch nicht aus, denn es wird eine Zone im unteren Erdmantel postuliert, die als verarmt in Bezug auf bestimmte Elemente bezeichnet wird, und eine davon isolierte Schicht, die sich im Erdaltertum bildete und Ursprung einer angereicherten Mantelflüssigkeit sein soll, die sich im oberen Erdmantel nahe der Asthenosphäre ansammelte. Die im Mantelplume aufsteigende Schmelze interagiert mit der Mantelflüssigkeit und den Gesteinen der Erdkruste und soll so die chemische Vielfalt der Ozeanischen Inselbasalte hervorbringen.

(Quellen: Nature Geoscience (https://phys.org/news/2024-09-envisions-earth-mantle-uniform-reservoir.html), Pressemeldung phys.org)

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai: mögliches Vorwarnzeichen entdeckt

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Studie benennt spezielle Erdebenwellen als mögliches Vorwarnzeichen der Katastrophe am Hunga Tonga-Hunga Ha’apai

Im Januar 2022 kam es zu einer gewaltigen Eruption am abgelegenen Inselvulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, der bereits mehrfach Thema bei uns bei Vnet war. Der Vulkan war erst vor kurzem aufgetaucht und bildete eine temporäre Insel, die sich bei der gewaltigen Eruption jedoch selbst zerstörte, wodurch Hunga Tonga-Hunga Ha’apai wieder zu einem submarinen Vulkan wurde.

Der Ausbruch am 15. Januar 2022 markierte das große Finale einer Eruptionsserie, die bereits im Dezember des Vorjahres begonnen hatte und zunächst moderat verlief. Niemand hatte die massive Explosion erwartet, die nicht nur die junge Vulkaninsel vernichtete, sondern auch Vulkanasche und enorme Mengen Wasserdampf bis in eine Höhe von 57 Kilometern aufsteigen ließ – die höchste jemals gemessene Eruptionswolke. Die Druckwellen der Explosion liefen mehrfach um den Erdball und ließen Seismometer weltweit erzittern.

War die Eruption wirklich so überraschend? Nein, sagen Forscher um den japanischen Vulkanologen Mie Ichihara, die Seismogramme nach möglichen Vorzeichen untersuchten – und fündig wurden. Vor der großen Eruption breiteten sich sogenannte Rayleigh-Wellen an der Erdoberfläche aus, deren Ursprung im Tonga-Archipel lag. Diese Wellen wurden von zwei Seismometern auf den Inseln Fidschi und Futuna aufgezeichnet.

Rayleigh-Wellen, die bei Erdbeben und Vulkanausbrüchen entstehen, sind langsamer als die bekannten P- und S-Wellen von Erdbeben. Während sich P- und S-Wellen durch das Erdinnere bewegen, pflanzen sich Rayleigh-Wellen entlang der Oberfläche fort und zeigen ein komplexes Schwingungsmuster.

Vermutlich wurde diese Welle durch einen Riss in einem schwachen Bereich der ozeanischen Kruste unter der Caldera des Vulkans verursacht, durch den große Mengen Meerwasser bis zum Magmakörper vordringen konnten. Das Wasser verdampfte explosionsartig und löste eine phreatomagmatische Eruption aus – eine der stärksten Arten vulkanischer Explosionen, die bereits mehrere Inselvulkane zerstört hat, darunter den berühmten Krakatau. Solche Eruptionen können auch an gletscherbedeckten Vulkanen auftreten. So geht man etwa davon aus, dass auch der Ausbruch des Laacher-See-Vulkans phreatomagmatischen Ursprungs war, obwohl es vor der Eruption keinen See an dieser Stelle gab. Ob hier Grundwasser oder Wasser vom nahegelegenen Rhein die Quelle war, ist ungewiss.

Obwohl die genauen Auslöser des calderabildenden Ausbruchs unbekannt sind, wird vermutet, dass ein langer Prozess vorausging. Das frühzeitige Erkennen solcher Vorzeichen könnte Küstenregionen mehr Zeit geben, sich auf drohende Tsunamis vorzubereiten.

Allerdings gibt es einen Haken: Die Rayleigh-Wellen wurden etwa 15 Minuten vor Beginn der Eruption registriert, und die Seismometer befanden sich rund 750 Kilometer entfernt vom Vulkan. Es bleibt also nur wenig Zeit, um die Bevölkerung vor einer möglichen Katastrophe zu warnen.

Die Studie verdeutlicht jedoch, dass phreatomagmatische Eruptionen sich tatsächlich sehr schnell entwickeln können, sobald Magma mit Wasser in Kontakt kommt.