Kohlendioxid (auch Kohlenstoffdioxid oder abgekürzt CO₂) ist uns allen als Treibhausgas bekannt, das in Bezug auf den Klimawandel eine tragende Rolle spielt. Zugleich verdanken wir dem CO₂, dass unser Planet bewohnbar ist, denn ohne dieses zu Unrecht in Verruf geratene Gas lägen die Durchschnittstemperaturen auf der Erde nicht bei +15 Grad, sondern bei −18 Grad, wobei zu berücksichtigen ist, dass Wasserdampf und Methan ebenfalls potente Treibhausgase sind.
Kohlendioxid kann infolge organischer Prozesse entstehen, der größte Teil des atmosphärischen Kohlendioxids stammt aber ursprünglich aus dem Erdmantel und wurde infolge magmatischer und vulkanischer Prozesse freigesetzt. Tektonische Prozesse und der Vulkanismus regulieren dabei auch heute noch den natürlichen Kohlenstoffkreislauf der Erde.
CO₂ gehört neben Wasserdampf zu den wichtigsten Gasen, die in Magmen gelöst sind. Obwohl Wasserdampf mengenmäßig den größten Anteil der vulkanischen Gase ausmacht, spielt Kohlenstoffdioxid eine besondere Rolle für den Vulkanismus. Seine physikalischen Eigenschaften beeinflussen den Aufstieg des Magmas, die Dynamik von Vulkanausbrüchen und liefern Vulkanologen wertvolle Hinweise auf bevorstehende Eruptionen. Gleichzeitig zählt CO₂ zu den gefährlichsten vulkanischen Gasen, da es für den Menschen unsichtbar und geruchlos ist.
Kohlendioxid – der unsichtbare Motor des Vulkanismus
Der größte Teil des magmatischen Kohlendioxids stammt aus dem Erdmantel. Dort ist Kohlenstoff in Mineralen oder Karbonatverbindungen gebunden und wird bei der Bildung von Magma freigesetzt. In Subduktionszonen gelangt zusätzlich Kohlenstoff mit der absinkenden ozeanischen Kruste und karbonatreichen Sedimenten in große Tiefen. Unter den dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücken wird CO₂ freigesetzt und in das Magma aufgenommen. Auf seinem Weg zur Erdoberfläche kann das Magma außerdem karbonatreiche Gesteine der Erdkruste aufschmelzen und dadurch weiteres Kohlendioxid aufnehmen.
Eine Besonderheit von CO₂ ist seine vergleichsweise geringe Löslichkeit in Magma. Während Wasserdampf bis in relativ geringe Tiefen gelöst bleiben kann, beginnt Kohlendioxid bereits unter hohem Druck tief in der Erdkruste aus der Schmelze auszutreten. Dabei bilden sich Gasblasen, die den Auftrieb des Magmas erhöhen und seinen Aufstieg erleichtern. CO₂ wirkt damit gewissermaßen als Motor des tiefen Magmatransports. Gleichzeitig kann das Gas entlang von Rissen und Störungen im Gestein weit vor dem eigentlichen Magma bis an die Oberfläche gelangen, wo es meistens aus Kratern, Fumarolen und Mofetten entweicht oder aus dem Boden diffundiert. Aus diesem Grund gehören erhöhte CO₂-Emissionen häufig zu den frühesten Anzeichen einer bevorstehenden vulkanischen Aktivität. Vulkanologen überwachen daher kontinuierlich die Kohlendioxid-Konzentrationen austretender Gase und insbesondere das Verhältnis von CO₂ zu Schwefeldioxid, um Veränderungen im Magmensystem möglichst früh zu erkennen.
Auch für die Explosivität eines Vulkanausbruchs spielt CO₂ eine wichtige Rolle. Beim Aufstieg sinkt der Umgebungsdruck kontinuierlich, sodass sich die Gasblasen immer weiter ausdehnen. Dadurch wird das Magma aufgeschäumt und zusätzlich beschleunigt. Vor allem in zähflüssigen, kieselsäurereichen Magmen können die Gase nicht ungehindert entweichen. Es baut sich ein hoher Druck auf, bis das Magma schließlich explosionsartig zerreißt und große Mengen Asche, Bimsstein und vulkanische Gase freigesetzt werden. Obwohl Wasserdampf meist den größten Anteil an dieser explosiven Expansion besitzt, trägt die früh einsetzende Entgasung des CO₂ wesentlich zur Entwicklung des Gasdrucks bei.
Die besondere Lava des afrikanischen Vulkans Ol Doinyo Lengai besteht zum großen Teil aus Karbonaten und weißt einen sehr niedrigen Schmelzpunkt auf. Bei der Eruption schäumt die Lava durch das freigesetzte CO₂ regelrecht auf.