Wiki Vulkane und Erdbeben

Eine Transformstörung (engl.: strike slip fault) trennt 2 tektonische Kontinentalplatten voneinander. Entlang der Störungszone verschieben sich die Platten seitwärts. Sie ist das größere Pendant zu einer Blattverschiebung (Transversalverschiebung), die eine lokale Störung in einer Platte darstellt. Das Bewegungsprinzip ist bei Transformstörung und Blattverschiebung identisch: Die Erdkruste verschiebt sich entlang einer senkrecht verlaufenden Fläche horizontal.

Man unterscheidet in sinistrale (linkshändige) und dextrale (rechtshändige) Bewegungsrichtung. Zur Ermittlung der Bewegungsrichtung wird der Bewegungssinn der Platte herangezogen, auf die der Betrachter nicht steht.

Erdbeben an Transformstörungen

Die Bewegungen entlang von Störungszonen laufen in den seltensten Fällen gleichmäßig ab. Obwohl die Kräfte auf die Platten konstant wirken, verhindert die Reibung entlang der Gesteinsflächen gleichförmige Bewegungen. Stattdessen verhaken die Platten und es bauen sich Spannungen auf, die solange größer werden, bis sich die verharkten Platten mit einem Ruck lösen. Diesen ruck nehmen wir als Erdbeben wahr.

Bekannte Transformstörungen

Zwei große Transformstörungen spielen gerade unter dem Aspekt der Erdbeben eine große Rolle im Weltgeschehen: Die San Andreas fault und die Nordanatolische Verwerfung. Beide sind für eine Reihe katastrophaler Erdbeben verantwortlich und an Beiden werden künftig weitere zerstörerische Starkbeben erwartet.

Die San Andreas fault liegt im US-Bundesstaat Kalifornien und trennt die Pazifische Platte vom Nordamerikanischen Kontinent. Bei ihr handelt es sich um eine dextrale Transformstörung die fast 1300 km lang ist. Das wohl bekannteste Erdbeben an dieser Störungszone ereignete sich im Jahr 1906: Ein Erdstoß der Magnitude 7,6 zerstörte San Francisco. Seitdem wartet man auf ein neues „big one“.

Die Nordanatolische Verwerfung liegt in der Türkei und trennt die Anatolische Platte von Eurasien. Auch sie ist rechtshändig und gut 1200 km lang. Sie verläuft in etwa parallel zur Küste des Schwarzen Meeres, passiert das Marmarameer und mündet in die Ägäis. Auf der Störungszone liegen Metropolen Izmit und Istanbul. eines der jüngsten Starkbeben ereignete sich 1999 und hatte eine Magnitude von 7,6. Es forderte 18.000 Menschenleben und legte die Stadt Gölcük in Trümmern. Es wird befürchtet, dass Istanbul ein ähnliches Schicksal droht.

Eine sehr schöne Blattverschiebung findet sich in China. Entlang der Piqiang fault wird ein ganzer Höhenzug sinistral versetzt. Die devonischen- und silurischen Sedimentgesteine sind um gut 2 km verschoben worden.

Diese wunderbare Störungszone liegt südlich der Tien Shan Berge, im Nordwesten der Provinz Xinjiang. Dort sind Gesteinsschichten aus mehreren Erdzeitaltern aufgeschlossen.

Als Tremor bezeichnet man eine besondere Art vulkanisch bedingter Erdbeben. Sie sind von geringer Magnitude und äußern sich als ein beständiges Zittern des Erdbodens. Tremor wird direkt von den Bewegungen magmatischer Fluide im Untergrund ausgelöst. In der Vulkanologie dient Tremor als Indikator für Magmenaufstieg. Da praktisch jeder Vulkan vor einer größeren explosiven Eruption vulkanischen Tremor erzeugt, gilt er als einer der wichtigsten Frühwarn-Parameter eines unmittelbar bevorstehenden Ausbruchs. Je näher der Ausbruch rückt, desto stärker wird der Tremor. Aber nicht jeder Vulkan der Tremor erzeugt muss auch tatsächlich eruptieren. Manchmal bleibt das Magma trotzdem noch in der Erdkruste stecken, obwohl schon Tremor eingesetzt hat.

Tremor entwickelt sich für gewöhnlich aus Niederfrequenz-Erdbeben mit langen Perioden. Sie folgen immer schneller aufeinander, bis es zu einer durchgehenden Tremorphase kommt.
Im Allgemeinen treten Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 1-5 Hertz (Hz) auf. In der Literatur jüngeren Datums geht man von einem Frequenzband zwischen 0,5 und 7 Hz aus. Vor der Eruption schwingt der Tremor mit Frequenzen zwischen 0,5 und 2 Hertz. Während der Eruption tauchen Frequenzen zwischen 1 und 7 Hz auf. Es wurden aber auch deutlich höhere Frequenzen bis 20 Hz beobachtet.

Magmawackeln verursacht Tremor

Vulkanologen sind erstaunt darüber, dass sich der Tremor praktisch an allen Vulkanen gleich verhält, obwohl es viele Unterschiede in den Fördersystemen der Vulkan gibt. Diese Unterschiede sollten eigentlich auch den Tremor beeinflussen, was aber offensichtlich nicht der Fall ist. Erst vor wenigen Jahren lieferten Wissenschaftler der Universität von British Columbia eine Erklärung dazu. Sie erstellten ein mathematisches Modell, nach dem der Tremor durch eine Interaktion von aufsteigendem Magma mit Gas ausgelöst wird. Das Magma soll demnach von einer Gashülle umgeben sein die das Magma zum wackeln bringt. Das wackelnde Magma sendet die Vibrationen aus, die die Seismografen als Tremor registrieren.

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Tube ist ein Begriff aus dem Englischen und bedeutet in unserem Fall Röhre, bzw. Tunnel. Solche Lavatunnel können sich an Vulkanen bilden, wenn ein Lavastrom an der Oberfläche erstarrt, darunter aber weiter fließt.  Die Lava fließt dann durch eine Tube. Die erstarrte Schicht des Deckels, bzw. Daches isoliert den Lavastrom vor weiterer Abkühlung. Daher kann ein Lavastrom in einer Tube große Entfernungen zurück legen. Auf Hawaii fließen die Lavaströme in diesen Tubes bis zu 12 km und münden dann ins Meer. Wenn die Eruption endet und die Lava abgelaufen ist, dann kann ein Tunnel im Lavafeld zurück bleiben.

Auf Hawaii zählt die Thurston Lava Tube zu den bekanntesten Lavahöhlen. Die polynesischen Ureinwohner Hawaiis nannten sie „Nahuku“. Die Tube entstand bei einem Ausbruch des Kilaueas vor gut 500 Jahren und ist auf einer Länge von 180 m begehbar.

Die Insel Lanzarote ist bekannt für diese Tubes, die oft erschlossen wurden und zu besichtigen sind. Bei manchen Tubes sind die Tunneldecken eingestürzt und es blieben quasi Schluchten zurück. Auf Lanzarote baute man dort Häuser hinein, die wegen ihrer besonderen Architektur als künstlerische Bauwerke beliebte Touristenziele sind. Die wohl größte Lavahöhle auf Lanzarote ist die Cueva de los Verdes: sie hat eine Länge von 7 km. Im unteren Teil befindet sich die Jameos de Agua, die vom Architekten und Künstler Cesar Manrique gestaltet wurde.

Am Ätna ist die Grotta di Gela berühmt, weil sich dort bis weit in den Sommer hinein ein dicker Eispanzer hält. Im Winter ist die Grotte, bei der es sich um eine Tube handelt, fast komplett zugefroren. Angeblich wurde das Eis früher genutzt, um daraus Fruchteis herzustellen. Ein natürlicher Kühlschrank, in dem sich indirekt Feuer und Eis begegnen. Bei der Eruption von 1999 flossen mehrere Lavaströme in Tubes. Durch ein eingestürztes Dach konnte ich filmen, wie die Lava darunter floss. Natürlich nicht, ohne heiße Füsse zu bekommen.

Umbrella Clouds (Regenschirmwolken) erinnern an einen aufgespannten Regenschirm. In Berichten über Vulkane kommt der Begriff Umbrella Cloud oft im Zusammenhang mit zwei sehr unterschiedlichen Wolkenformen vor, überwiegend natürlich in der englischsprachigen Literatur. Zum einen werden bestimmte Eruptionswolken in Form eines aufgespannten Regenschirms als Umbrella Clouds bezeichnet. Zum anderen kann es sich dabei auch um spezielle meteorologische Wolkenformen handeln. Beide Wolkenarten konnte ich bereits am Ätna auf Sizilien beobachten.

Gelegentlich werden hoch aufsteigende Eruptionswolken als Regenschirmwolken bezeichnet, doch eigentlich handelt es sich hierbei um Eruptionswolken plinianischer Eruptionen. Diese Umbrella Clouds bilden sich, wenn bei einem Vulkanausbruch große Mengen an vulkanischer Asche und Gasen in die Atmosphäre geschleudert werden und sich dann in der Höhe ausbreiten. Diese geschieht normalerweise entlang der atmosphärischen Grenzschicht zur Stratosphäre. Diese Wolken können sich über große Entfernungen erstrecken und haben erhebliche Auswirkungen auf das Klima und den Luftverkehr. Die Asche in diesen Wolken kann dazu führen, dass Flugzeuge in der Nähe von Vulkanen gezwungen sind, den Luftraum zu meiden und Umwege zu fliegen.

Als Umbrella Clouds werden meteorologische Wolken bezeichnet, die auf dem Gipfel eines Vulkans sitzen oder knapp über diesem schweben. Hierbei handelt es sich um Wolken mit dem lateinischen Fachbegriff Lenticularis. Dieser Fachbegriff rührt von der Linsenform dieser Wolken her und wurde zu einer Zeit geprägt, als es noch eine Regenschirme gab. Lenticularis kommen nicht nur an Vulkanen vor, sondern können sich auch über normale Berge bilden. Hierbei handelt es sich um stationäre Wolken, die sich meist in der Troposphäre bilden, typischerweise parallel zur Windrichtung. Am Ätna erscheinen sie oft an einem ansonsten wolkenlosen Himmel und kündigen oft ein Sturmtief an. Für mich ein Zeichen, den Gipfelbereich zu verlassen und eine sturmfeste Behausung aufzusuchen.

Der Vulkanexplosivitätsindex  -kurz VEI- klassifiziert die Stärke von explosiven Eruptionen und stellt eine Skala zur Verfügung, mit deren Hilfe sich die Eruptionen einordnen und vergleichen lassen. Die Skala reicht von 0 bis 8 und basiert auf einem Logarithmus mit dem Faktor 10. Ab der Stufe 2 verstärkt sich der Ausbruch zur jeder nächsthöheren Stufe um das Zehnfache. Von der Stufe 0 auf 1 beträgt der Faktor 100. Das liegt daran, dass Eruptionen mit einem VEI 0 rein effusiv sind und keine Explosionen erzeugen.

Der VEI berücksichtigt als maßgebliche Kriterien die Höhe der Eruptionswolke, sowie das geförderte Tephra-Volumen. Darüber hinaus wird vielfach versucht dem VEI verschiedene Eruptionsarten zuzuordnen und die Häufigkeit entsprechender Ereignisse tabellarisch aufzuführen.

Eruptionen mit einem VEI 7 und 8 werden umgangssprachlich auch als Supervulkan-Eruptionen bezeichnet. Sie sind sehr selten und fanden noch nicht zu historischen Zeiten statt. Überlieferungen und Beschreibungen dieser größtmöglichen Vulkanausbrüche gibt es nicht. Dass es sie gibt, wird nur aus den geologischen Spuren gefolgert, die sie hinterlassen haben. Natürlich liegt es in der Natur des Menschen, gerade solche Ereignisse in den Fokus zu rücken, die globale Katastrophen auslösen können. Doch dass sich so eine Supervulkaneruption in den nächsten Jahrhunderten ereignen wird, ist sehr unwahrscheinlich.

Die stärksten von Menschen dokumentierten Ausbrüche brachten es auf einen VEI 6. Das jüngste Beispiele ist hier der Ausbruch des Mount Pinatubo im Jahr 1991. Zehn Jahre zuvor manifestierte sich die Eruption am Mount St. Helens. Sie brachte es auf einen VEI 5. Beide Events waren katastrophal richteten große regionale Zerstörungen an und forderten Todesopfer. Die Mehrzahl historischer Eruptionen, die Zerstörungen anrichteten hatten einen VEI 4, oder VEI 3. Schwächere Ausbrüche sind fast an der Tagesordnung und richten nur in Ausnahmefällen Zerstörungen an. Anders sieht es mit Eruptionen von einem VEI 0 aus. Bei diesen effusiven Vulkanausbrüchen können Lavaströme entstehen, die enorme Schäden an der Infrastruktur verursachen können. Menschen können sich allerdings meisten vor ihnen in Sicherheit bringen. Es gibt auch Mischformen, bei denn ein Vulkan effusiv und explosiv eruptiert. Wenn man aufgrund recht geringer Explosivität denkt, einen harmlosen Vulkanausbruch vor sich zu haben, kann man die effusive Komponente unterschätzen.

Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit von Fluiden (Flüssigkeiten, Gas). Im Zusammenhang mit der Vulkanologie gibt die Viskosität die Zähigkeit von Lava (oder Magma) an. Ist die Lava niedrigviskos, dann ist sie dünnflüssig und fließt schnell. Ist sie hochviskos, dann ist die Lava zähflüssig und Lavaströme fließen langsam. Im Extremfall bilden sich Lavadome.

Die Viskosität des Magmas hat maßgeblichen Einfluss darauf, ob ein Vulkan explosiv, oder effusiv eruptiert. Ein weiterer entscheidender Faktor dafür ist der Gasgehalt der Schmelze. Es gelten die Faustregeln:

• Je dünnflüssiger das Magma ist, desto weniger Gas kann sich ansammeln. Die resultierenden Eruptionen sind meistens effusiv. Es werden Lavaseen und Lavaströme gefördert. Ist in einer niedrigviskosen schmelze viel Gas enthalten, kommt es zur Bildung von Lavafontänen.
•  Hat das Magma eine moderate bis hohe Viskosität und ist relativ gasarm, dann treten Lavadome aus. Es können auch kurze hochviskose Lavaströme entstehen. Es werden pyroklastische Ströme generiert, wenn Teile eines Doms kollabieren. Ein Lavadom verstopft den Förderschlot, daher kann sich unter ihm ein hoher Gasdruck aufbauen.
• Je zähflüssiger das Magma ist, desto mehr Gas kann sich ansammeln. Die Wahrscheinlichkeit einer explosiven Eruption steigt. Es werden hoch aufsteigende Aschewolken gefördert.

Die Viskosität von Lava hängt von verschiedenen Faktoren ab: Temperatur, Chemismus und Rheologie, bzw. dem Grad der Kristallisation. Je mehr Kristalle eine Schmelze enthält, desto  zähflüssig wird sie. Kristalle bilden sich mit der Temperaturabnahme des Magmas. Die Kristallisation kann schon in der Magmakammer beginnen und schreitet nach der Eruption der Lava schnell fort und dauerst so lange bis sie komplett erstarrt ist. Wie schnell letztendlich ein Lavastrom fließt ist auch von der Hangneigung des Vulkans abhängig.

Der Kehrwert der Viskosität ist die Fluidität, also die Fließfähigkeit eines Fluids.

Das Volcanic Ash Advisory Center (VAAC) (auf deutsch: Beratungszentrum für Vulkanasche) ist für die Koordinierung und Verbreitung von Informationen über vulkanische Aschewolken in der Atmosphäre verantwortlich. Die Wolken aus Vulkanasche können hoch aufsteigen und die Luftfahrt gefährden. Daher bringt das VAAC entsprechende Warnungen heraus. Diese Warnungen sind unter dem Kürzel VONA bekannt. Sie entstehen in Expertengruppen durch die fachkundige Analyse von Satellitenbeobachtungen, Boden- und Pilotenmeldungen und die Interpretation von Asche-Ausbreitungsmodellen.

Im Jahr 2020 gibt es weltweit neun Beratungszentren für Vulkanasche, die sich jeweils auf eine bestimmte geographische Region konzentrieren. Diese neuen Beratungszentren sind:

Das weltweite Netzwerk der Beratungszentren für Vulkanasche wurde von der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO), einer Organisation der Vereinten Nationen, als Teil der International Airways Volcano Watch (IAVW) eingerichtet, einer internationalen Gruppe von Vorkehrungen zur Überwachung und Warnung von Flugzeugen vor Vulkanasche. Der Betrieb und die Entwicklung der IAVW werden vom Meteorologie-Panel (METP) koordiniert, das von der ICAO-Flugsicherungskommission eingerichtet wurde. Die einzelnen VAACs werden im Rahmen der nationalen Wettervorhersageorganisationen des Landes, in dem sie ihren Sitz haben betrieben. Ein Bespiele ist der US-amerikanische Dienst NOAA.

Geschichte des VAAC

Die Zentren wurden in den 1990er Jahren eingerichtet, um die Vorhersagen über die Lage von Aschewolken aus Vulkanausbrüchen nach Vorfällen zu verbessern, bei denen Verkehrsflugzeuge durch Vulkanasche geflogen waren und dabei Triebwerksleistung verloren hatten. Der British Airways-Flug 9, eine Boeing 747, verlor 1982 nach einem Ausbruch des Mount Galunggung über Indonesien die Leistung aller vier Triebwerke. KLM-Flug 867, eine weitere Boeing 747, verlor 1989 nach dem Ausbruch des Mount Redoubt erneut Leistung für alle Triebwerke über Alaska. Nach diesen und anderen Vorfällen wurde erkannt, dass Vulkanasche eine Gefahr für die kommerzielle Luftfahrt darstellt und dass die einzige Möglichkeit, sicherzustellen, dass es nicht zu einem Verlust eines Flugzeugs kommt, darin besteht, die Piloten rechtzeitig zu alarmieren, damit sie ihren Flug um die Wolke herum umleiten können.

VONA ist ein Begriff aus dem Englischen und steht für „Volcano Observatory Notice for Aviation„. Es ist ein Alarmsystem für den Flugverkehr, welches Piloten und Fluglotsen vor Aschewolken warnt. Es wurde von der ICAO und der UN entwickelt. Es basiert auf 4 Farbcodes, ähnlich einer Ampel, die Piloten und Fluglotsen schnell klar machen, ob von einem Vulkan eine Gefährdung für den Flugverkehr ausgeht.

Die Farbcodes geben die Bedingungen an einem Vulkans wieder und beschreiben nicht die Gefahren, die von der treibenden Asche vor dem Wind ausgehen. Alle erkennbaren Aschewolken gelten als hochgefährlich und sollten vermieden werden. Benutzer müssen sich darüber hinaus bewusst sein, dass der Luftfahrtfarbcode nicht extrapoliert werden sollte, um die am Boden auftretenden Gefahren darzustellen, die sehr unterschiedlich sein können.

Grund für die Entwicklung eines universellen Warnsystems vor Vulkanasche in der Luft, waren zahlreiche Fälle von Flugzeugen, die in vulkanische Aschewolken flogen, wodurch lebensbedrohliche Situationen entstanden. Teilweise wurden die Maschinen beschädigt.

British-Airways-Flug 9

Es kam bereits zu einem Beinahe-Absturz eines Flugzeuges, das über dem indonesischen Vulkan Gunung Galunggung  in einer Aschewolke geriet: Eine britische 747-200 geriet in 11300 m Höhe in eine Aschenwolke. Die Cockpitscheibe wurde zerkratzt und stumpf. Es wurde Elmsfeuer beobachtet, dass durch elektrische Entladungen entstand. Nach und nach gingen die Triebwerke aus. Das Flugzeug befand sich im Gleitflug. Erst auf einer Höhe von 4100 m gelang es den Piloten die Triebwerke wieder zu starten und das Flugzeug in Jakarta zu landen.

Eyjafjallajökull-Eruption und der Flugverkehr

Im Jahr 2011 brach der isländischen Gletschervulkan Eyjafjallajökull aus. In der 2. Eruptionsphase generierten phreatomagmatische Eruptionen große Aschewolken. Luftströmungen verfrachteten die Asche bis nach Zentraleuropa. Es kam zur tagelangen Sperrung des Luftraums und zu einem Chaos an den Flughäfen. Seitdem reagieren Luftfahrtbehörden besonders nervös, sobald Aschewolken unterwegs sind. Es wurden neue Grenzwerte festgelegt, ab welcher Aschekonzentration in der Luft Flugverbote erteilt werden.

Vulcanianische Eruptionen sind explosive Vulkanausbrüche mit einem VEI 3. Die Einteilungen sind nicht genau definiert und werden von Autor zu Autor unterschiedlich gehandhabt. Vulcanianische Ausbrüche sind auf jeden Fall stärker als strombolianische Eruptionen und deutlich schwächer als plinianische Ausbrüche. Sie werden als moderat bis stark beschrieben. Die eruptierte Vulkanasche steigt zwischen 3 und 15 km hoch auf. Es werden zwischen 10 und 100 Millionen Kubikmeter Tephra gefördert. Oft erreichen phreatomagmatische Eruptionen diese Größe, die durch den Kontakt von Magma mit Wasser verstärkt werden.

Diese Eruptionsart wurde nach dem Inselvulkan Vulcano benannt und stellt die für diesen Vulkan typische Ausbruchsform dar. Vulcano ist eine der Liparischen Inseln, nördlich von Sizilien (Italien) gelegen. Giuseppe Mercalli prägte den Begriff vulcanianische Eruption, als er die Ausbrüche von Vulcano beobachtete, die sich zwischen 1888 und 1890 manifestierten. Mercalli verglich die Ausbrüche mit Kanonenfeuer in unregelmäßigen Abständen. „Die explosive Natur der Eruptionen beruhe auf einem (gegenüber Basalt) erhöhten Kieselsäuregehalt der Lava“, so Mercalli. Vulkane, die vulcanianische Eruptionen erzeugen, fördern meistens andesitischen Basalt, oder basaltischen Andesit. Ein erhöhter Gehalt an Wasser in der Lava kann für die starken Explosionen ebenso verantwortlich sein.

Oft ist der Förderschlot von sich abkühlender Tephra verstopft, wodurch sich ein hoher Gasdruck im Schlot aufbauen kann. Diese Schlotfüllung wird bei der vulcanianischen Eruption mit aus geschleudert. Daher sind diese Eruptionen gefährlich, zumindest wenn man sich in Kraternähe aufhält. Dort geht ein dichter Teppich aus vulkanischen Bomben bis hin zu großen Blöcken nieder.

Vulcanianische Eruptionen kommen häufig an Vulkanen wie Anak Krakatau, Sakurajima, oder Colima vor. Diese Vulkane sind auch für vulkanische Blitze bekannt, welche in den Eruptionswolken entstehen können.