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In der heißen Phase

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 15.03.2010 17:55

Unter Hochdruck erforschen Münchner Vulkanologen Mini-Feuerberge im Labor und gewinnen so nicht nur Einblicke in das Verhalten von Schmelzen und Magmen, sondern auch ins brodelnde Innenleben kurz vor dem Ausbruch stehender Hochrisikovulkane.

Als am 18. Mai 1980 gegen 8:23 Uhr die Nordflanke des Mount St. Helens im US-Bundesstaat Washington explodiert, beobachtet der Vulkanologe David Johnston den Berg aus ganzen zehn Kilometern Entfernung. Ausreichend Sicherheitsabstand im Falle eines normalen Ausbruchs, auf die 24-Megatonnen-Detonation des Mount St. Helens waren jedoch weder er noch seine Kollegen im 50 Kilometer entfernten Vancouver gefasst. Dass der Stratovulkan in den Cascade Mountains reif war, das zeigten Erdbeben und kleinere Wasserdampfexplosionen bereits Monate zuvor. Der Berg erzitterte unter den Magmaströmen im Inneren, spuckte verdampftes Grundwasser aus, bläulich brennende Gase und Aschewolken, in denen Blitze zuckten. Flüssiges Gestein war aufgestiegen, in den Bergkegel eingedrungen und hatte dabei die Nordflanke um fast 100 m aufgewölbt. Wie viel Kraft unter dieser Magmabeule lauerte, zeigte sich jedoch erst, als die Ausbuchtung in den Morgenstunden des 18. Mai durch ein schweres Beben zum Einsturz gebracht wurde und dem aufgestauten Druck im Berginneren Platz machte. Die Gesteinsmassen des Hangrutsches, die Druckwelle der Explosion und schließlich die Glutwolke eines "pyroklastischen Stroms" ebneten ganze Wälder ein, verdampften Seen und verschlangen neben David Johnston 56 weitere Menschen sowie Flora und Fauna auf einer Fläche von rund 600 Quadratkilometern.

Ausbruch Mount St. Helens

 

Neun Stunden lang dauerte der massive Ausbruch des Mount St. Helens am 18. Mai 1980. Die dabei ausgehustete Aschewolke stieg bis in eine Höhe von fast 25 Kilometern auf und erreichte bereits gegen Mitternacht den US-Bundesstaat Idaho. (c) Donald A. Swanson, USGS, 1980

Ob ein Ereignis solch unvorstellbaren Ausmaßes auch heute noch Wissenschaftler auf dem falschen Fuß erwischen würde, ist fraglich. Steht ihnen doch nach 26 Jahren technologischer Aufrüstung eine ganze Palette an Beobachtungsmitteln zur Verfügung: Neben der direkten Beobachtung mit Feldstecher und Videokamera horchen moderne Geologen mit Mikrofonen den Berg ab, fühlen mit Seismometern seinen Pulsschlag, analysieren von Cessnas und unbemannten Dronen aus aufsteigende Gasfahnen und überwachen seine Form per GPS, Lasermessgerät und Tiltmeter. Selbst Veränderungen der Bodenthermik - Aufwinde aufgrund des erhitzten Bodens -, des lokalen Erdmagnetfelds oder der Schwerkraft werden durch Messgeräte registriert. Das Erspüren selbst kleinster vulkanischer Lebenszeichen ist garantiert, die richtige Deutung möglicher Warnsignale und eine damit verbundene, zumindest rudimentäre Vorhersage der vulkanischen Aktivität wohl aber noch lange nicht. Zu wenig verstanden sind bis heute die Prozesse, die im Inneren eines aktiven Vulkans ablaufen.

Was passiert kurz vor einer Eruption innerhalb des Feuerberges? Was macht aus zähflüssigem Magma das Treibmittel zum Absprengen ganzer Bergkämme? Fragen, die zu einer effektiveren Frühwarnung führen könnten und denen ein noch recht junger Forschungszweig auf den Grund gehen will. Die "experimentelle Vulkanologie" gibt sich nicht mit Beobachtungsdaten zufrieden, sondern nähert sich dem Verhalten der Feuerberge ganz praxisnah durch die Modellierung von Ausbrüchen unter Laborbedingungen.

"Es geht um die Anwendung experimenteller Ansätze zum besseren Verständnis vulkanischer Prozesse. Wir stellen Fragen, die experimentell beantwortet werden können.", so Vulkanologe Donald Bruce Dingwell über sein Spezialgebiet, dem sich weltweit nur eine Handvoll Institute verschrieben haben. Dingwell ist einer ihrer Koryphäen, ja sogar einer der vier höchstzitierten Geowissenschaftler in Deutschland. Zusammen mit seinem Team der Sektion Mineralogie, Petrologie und Geochemie (SMPG) des Department für Geo- und Umweltwissenschaften an der LMU München und im Verbund mit weiteren Forschungsgruppen nimmt er zurzeit u. a. die geologisch extrem aktive Region im javanischen Sundabogen unter die Lupe - unter dem Dach des Verbundvorhabens SUNDAARC, durch das BMBF gefördert im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkts "Kontinentränder: Brennpunkte im Nutzungs- und Gefährdungspotenzial der Erde".

Um zu verstehen, was das Besondere an Dingwells Arbeit ist, reicht jedoch statt eines Ausflugs nach Zentraljava bereits ein Abstecher ins Untergeschoss des SMPG im Münchner Stadtteil Maxvorstadt. Hier lassen die Vulkanologen, Geologen und Mineralogen im Dienste der Forschung in schöner Regelmäßigkeit kleinformatige Minivulkane ausbrechen und beobachten Proben unter Extrembedingungen wie sie sonst nur unter vielen Millionen Tonnen Vulkankegel und Erdkruste herrschen. "Wir können echtes Magma unter vulkanische Bedingungen von Druck, Temperatur usw. setzen und vulkanische Ausbrüche im Labor auslösen", fasst Dingwell zusammen. Dabei hat der gebürtige Kanadier nicht nur simulierte Eruptionen, sondern auch Live-Erlebnisse hinter sich. "Es ist für mich immer sehr ergreifend", so der Vulkanologe. Wichtig sei aber, dass die systematische Analyse "unter gut kontrollierten Laborbedingungen uns viel mehr Information liefert als es die Beobachtungen eines Ausbruchs alleine tun können."

Vulkanologen vor Ort 


Arbeit 'am Berg': Prof. Donald Dingwell (links) und Dr. Ulrich Küppers am japanischen Vulkan Unzen. (c) Dr. Ulrich Küppers, LMU

Der Fragenkatalog der Vulkanexperten ist lang. "Letztendlich geht es allerdings nur um eines", so Dingwell, "Was beeinflusst auf welche Art und Weise das Ausbruchsverhalten eines Vulkans?" Dabei steht das physikalische und chemische Verhalten von Schmelzen und Magmen im Mittelpunkt der Untersuchungen, speziell der Übergang von Magma zu Lava. Dingwell: "Was ist notwendig, um ein in der Tiefe schlummerndes Magma zu vulkanischem Leben zu erwecken?"

Zur Beantwortung dieser Fragen steht den Münchnern - getreu ihres Mottos 'High-Tech gegen High-Risk' - ein ganzes Arsenal an wahrhaft martialischen Maschinen zur Verfügung, denen man die Aufgabe als "Laborvulkane" schon allein vom Erscheinungsbild her voll und ganz zutraut. So ragen die Türme der so genannten Fragmentationsbomben - Kammern, in denen Magmen unter hohem Druck und Temperatur zum Explodieren gebracht werden - über ganze zwei Etagen. Eingeleitetes Argon-Gas erzeugt im Inneren den nötigen Druck und ein externer Ofen die nötigen Temperaturen. Hochgeschwindigkeitskameras verfolgen den künstlichen Ausbruch, und die entstandenen Fragmente aus der Eruptionswolke können anschließend bequem ausgewaschen, aufgefangen und genauer analysiert werden. "Was wir da unten haben ist einmalig", so Dingwell voller Stolz über das SMPG-Labor. Es sei in Teilen bereits kopiert bzw. nachgebaut worden, beispielsweise an der University of California im amerikanischen Berkeley, aber in seiner Münchner Originalität und Vollständigkeit "bleibt dieses Labor unübertroffen."

Unerlässlich für das Nachstellen vulkanischer Untergrundbedingungen: so genannte Autoklaven. Immer wenn Forscher extreme Umgebungsbedingungen über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wollen, kommen diese luft- und dampfdicht verschließbaren Druckbehälter zum Einsatz, etwa bei der Bergung empfindlicher Gashydrate vom Ozeangrund. Dingwell und sein Team schaffen mit den Zylindern simulierte Vulkantiefen, in denen sich das Verhalten echter, aber auch künstlich hergestellter Proben in situ beobachten lässt. Die Letztgenannten wiederum entstammen einer Piston-Zylinder-Apparatur, die dank Hydraulikstempel und Graphitofen unter Drücken bis 50.000 Bar und Temperaturen bis 1300 Grad Celsius die lebensechten Vulkanerzeugnisse synthetisiert. Das Innere der Apparatur ähnelt den Umweltbedingungen an der Grenze zwischen der unteren Erdkruste und dem Oberen Erdmantel. Dort, gleich unterhalb beider Schalen vermuten Geologen den Schmelz der Asthenosphäre, der vermutlich nicht nur die Bewegung der tektonischen Platten ermöglicht, sondern auch die tiefen Magmaquellen der Vulkane speist.

Neben Fragmentationsbomben und Druckzylinder steht seit neuestem auch Hightech bereit, um dem Verhalten der Lava per Laborversuch auf den Grund zu gehen. Ein Hochdruckviskosimeter ermöglicht die Untersuchung der Zähflüssigkeit silikater Schmelzen. Die Klärung der Frage wie Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung das Fließverhalten der Lava sowie ihre Reichweite beeinflussen, kann im Ernstfall für viele Menschen überlebenswichtig werden. Immerhin knapp 500 Millionen Menschen leben heute in Sichtweite eines aktiven Vulkans, direkt an den tektonischen Sollbruchstellen unserer Erde.

Dabei stehen Dingwell und sein Team bei ihrer Arbeit selbst an einer Art Bruchstelle, nämlich der der disziplinären Sorte. Ihre Arbeit lässt sich nicht einem bestimmten Bereich zuordnen, sondern ist an der Nahtstelle von mehreren Einsatzfeldern angesiedelt: der Forschung "am Berg", der Überwachung und der Untersuchung im Labor. "Ein reger Austausch zwischen Experiment, Simulation und Beobachtung findet in allen modernen Geowissenschaften statt", betont der Münchner Forscher. "In unserem Gebiet stellen Beobachtungen oft den Anlass für Experimente dar und experimentelle Ergebnisse dienen traditionell als Input für (Computer-)Simulationen." Eine Ereigniskette, die neuerdings immer stärker gelockert und aufgebrochen wird, sodass Information in beide Richtungen ausgetauscht und Computertheorie, Laborexperiment und Feldforschung sich gegenseitig beflügeln können.

"Der Mount St. Helens hat uns gelehrt, dass ein Überwachungssystem nach damaligem Stand, das nur einen Teil der messbaren Signale aufzeichnete, oder besser gesagt ein bestimmtes Ausbruchverhalten als wahrscheinlich ansah, nicht ausreicht, sämtliche Möglichkeiten der Auswirkungen einer vulkanischen Krise zu erfassen."

Allein im Bereich der Überwachung hat sich auf diese Weise in den letzten Jahren viel getan. Doch welche Überwachungsmethode ist nach heutigen Erkenntnissen die effektivste. Dingwell: "Die Antwort ist zeitabhängig. Heute würde ich sagen, die seismologische Überwachung. In zehn Jahren könnte es aber auch die Geochemische sein." Klar sei aber, dass zukünftige Vulkanüberwachung nur über integrierte Multiparameter-Meßsysteme laufen könne - also über die Erfassung und Vernetzung unterschiedlichster Vulkanvariablen. Ganz im Gegensatz zur Beobachtung des Mount St. Helens vor jenem schicksalhaften Maimorgen im Jahre 1980. "Der Mount St. Helens hat uns gelehrt, dass ein Überwachungssystem nach damaligem Stand, das nur einen Teil der messbaren Signale aufzeichnete, oder besser gesagt ein bestimmtes Ausbruchverhalten als wahrscheinlich ansah, nicht ausreicht, sämtliche Möglichkeiten der Auswirkungen einer vulkanischen Krise zu erfassen", so Vulkanologe Donald Dingwell im Rückblick. "Heute würden wir sicherlich nicht in dieser Form überrascht werden können."

Und die Zielsetzung, dieses Überraschungsmoment in Sachen Hochrisikovulkane weiter zu minimieren, führt die Münchener Wissenschaftler auch zu einem ganz aktuellen Sorgenkind - den 2914 Meter hohen Merapi auf Java. Er ist ein Punkt auf der Roadmap des SUNDAARC-Projekts, genau wie der Mount St. Helens ein aus Asche- und Lavalagen geschichteter Stratovulkan und ebenso wie der schwer entstellte nordamerikanische Berg ein Mitglied des zirkumpazifischen "Ring of fire". Seit Monaten rumort der Merapi, vereinzelte Gas-, Asche- und Lava-Ausstöße deuten auf eine kurz bevorstehende heftige Eruption hin - und dass in einer der am dichtesten besiedelten Gegenden der Erde. Die viele hundert Grad heißen pyroklastischen Ströme sind ein Markenzeichen der Eruptionen vom "Merapi-Typ". Nicht auszudenken, wie viele Opfer die Glutlawinen unter den 70.000 direkt am Berg lebenden Menschen fordern würden. "Die weiteren Geschehnisse im Zuge dieses Ausbruchszyklus sind momentan nur schwer zeitlich einzugrenzen", schätzt Donald Dingwell die Situation ein und fügt hinzu: "Diese Art von Vulkanausbrüchen gehört zu den gefährlichsten überhaupt für Leute in der unmittelbare Nähe. Solch heimtückisches Verhalten wie das des Merapi hält manchmal sogar uns als abgebrühte Wissenschaftler nachts wach!"

Sollten in naher Zukunft einmal Vulkanprognosen so selbstverständlich wie Wettervorhersagen sein, werden wohl neben den Anwohnern der Feuerberge auch die Vulkanologen erheblich besser schlafen können.

TM, iserundschmidt 07/2006


Weitere Informationen zum Projekt SUNDAARC finden Sie hier.

Einblicke in die Hightech-Ausrüstung der Vulkanologen um Prof. Dingwell gewähren die Internetseiten der Sektion Mineralogie, Petrologie und Geochemie (SMPG) des Department für Geo- und Umweltwissenschaften an der LMU München.

Verweise
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