Wiki Vulkane und Erdbeben

Eine Thermische Anomalie bezeichnet eine ungewöhnliche Temperatur-Erscheinung. Im Zusammenhang mit dem Vulkanismus ist dies normalerweise eine Temperaturerhöhung. Sie kann durch heiße Gase hervorgerufen werden, oder aber auch direkt durch Lava (heiße Tephra, Lavastrom) verursacht werden. Meistens spricht man von einer Thermischen Anomalie, wenn die Quelle der Wärmeentwicklung unklar ist, etwa, wenn sie nur mittels Fernerkundung detektiert wurde, ohne dass es eine direkte Bestätigung der Vorgänge vor Ort gibt.

MODIS und MIROVA: Satelliten-gestützte Infrarot-Aufnahmen ermitteln Thermische Anomalien

Thermische Anomalien werden normalerweise von Satelliten aus detektiert. Mit speziellen Kameras werden Aufnahmen gemacht, die das Licht im Spektrum der nicht sichtbaren Wellenlängen untersuchen. Aufnahmen im Infrarotbereich können so bereits relativ schwache Wärmeanomalien mit Leistungen von ca. 1 Megawatt (MW) feststellen. MIROVA (Middle InfraRed Observation of Volcanic Activity) ist ein Projekt der Universität von Florenz. Die Wissenschaftler benutzen Daten von MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) und stellen sie in nahezu Echtzeit zur Verfügung. Die Bilder werden innerhalb von 1-4 Stunden nach Überflug der Satelliten ausgewertet. Die Daten werden in Kategorien sortiert, anhand derer man schon grob die Aktivität des Vulkans festlegen kann.

Die Infrarot-Spektrometer befinden sich an Bord der Terra- und Aqua-Satelliten, die die gesamte Erdoberfläche innerhalb von 1-2 Tagen mindestens einmal abtasten. Die Umlaufbahnen um die Erde sind so getaktet, dass Terra morgens von Nord nach Süd über den Äquator fliegt, während Aqua den Äquator nachmittags von Süd nach Nord umkreist. Die Instrumente haben eine hohe radiometrische Empfindlichkeit in 12 Bit und tasten 36 Spektralbändern im Wellenlängenbereich von 0,4 nm bis 14,4 nm ab.

Vulkanische Strahlungsleistung

Die vulkanische Strahlungsleistung (Volcanic Radiative Power, VRP) ist eine Messung der Wärme, die von der vulkanischen Aktivität zum Zeitpunkt einer Satellitenaufnahme abgestrahlt wird.
Die VRP wird in Watt (W) berechnet und stellt eine kombinierte Messung der Fläche des vulkanischen Emitters und seiner effektiven Strahlungstemperatur dar. MIROVA berechnet die vulkanische Strahlungsleistung mit Hilfe der „MIR-Methode“ (nach Wooster et al., 2003), einem Ansatz, der ursprünglich eingeführt wurde, um die von Bränden (Waldbränden) abgestrahlte Wärme anhand von Satellitendaten abzuschätzen.

MIROVA stellt die vulkanische Strahlungsleistung in einer 5-stufigen logarithmischen Skala dar, die zudem farbig kodiert ist. Sie reicht von 1 MW bis hin zu 10 GW und kann grob verschiedener vulkanischer Tätigkeit zugeordnet werden. Zu berücksichtigen ist, dass Bewölkung die Infrarotstrahlung abschwächen kann und dass die Ergebnisse dadurch verfälscht werden können.

Die Aktivitätszuordnung in der Tabelle entspringt meinen eigenen Erfahrungswerten und dienen als grobe Einordung. Insbesondere können große Mengen heißer Tephra und Lavafontänen die Wärmestrahlung ebenfalls beeinflussen. So erzeugen Paroxysmen am Ätna schnell mehr als 10 GW Leistung, wenn eine Messung direkt in die Hauptphase der Eruption fällt.

(Quelle MIROVA)

Thermophilie Mikroorganismen kommen besonders häufig in vulkanischen Thermalquellen vor. Diese Mikroorganismen bevorzugen eine Umgebung mit warmen Temperaturen zwischen 45 und 80 Grad Celsius. Kommen Lebewesen in noch heißeren Environments vor, spricht man von Hyperthermophilen.

Typische Thermophile sind Archaen (Archebakterien, Urbakterien), weniger häufig kommen auch Bakterien ( Bacillus, Clostridium, oder Cyanobakterien) vor. Archaen können Temperaturen von mehr als 70 Grad vertragen und finden sich häufig in Thermalquellen und Geysirbecken. Sie können das Wasser färben und mattenartige Kolonien bilden.

Hyperthermophile Archaen vertragen sogar Wassertemperaturen von über 100 Grad Celsius und leben an Black Smokern in der Tiefsee. Aufgrund des hydrostatischen Drucks kocht das Wasser an den Hydrothermalen Tiefseequellen nicht, daher kann das Wasser über 100 Grad heiß werden. Viele dieser Organismen sind anaerob, d.h. sie brauchen keinen Sauerstoff. Ihr Stoffwechsel beruht auf Schwefel, oder der Reduzierung von Eisen-Isotopen. Bei niedrigen Temperaturen können sie zwar oft Überleben, sind aber nicht in der Lage sich zu vermehren.

Seltener kommen auch höhere Organismen in heißen Quellen vor. Besonders im Randbereich von Thermalquellen kommen Algenteppiche vor. Es wurden aber auch schon thermophile Pilze, Würmer und Krebse entdeckt.

Entwicklung des Lebens in Heißen Quellen

Einer wissenschaftlichen Theorie nach entwickelten sich erste irdische Lebensformen in heißen Quellen vulkanischen Ursprungs. Diese Theorie fußt auf einer Entdeckung, die auf das Jahr 2014 zurück geht und im australischen Nordwesten gemacht wurde. Im 3,48 Milliarden alten Sedimenten der Dresser-Formation fanden Forscher Geyserit-Gestein, das sich -wie der Name bereits vermuten lässt- in Geysirbecken bildete. In Hohlräumen des Geyserits wurde eine Substanz gefunden, die aus einem klebrigen Film gebildet wurde, den Bakterien absondern. Die Forschergruppe um Djocik und Van Kranendonk geht davon aus, dass sich im Geysirbecken erste Einzeller gebildet hatten.

Eine andere Theorie sieht die Geburtsstätte irdischen Lebens in der Nähe der hydrothermalen Tiefseequellen. Auf jeden Fall wird es sich bei den ersten Lebewesen der Erde um anaerobe Organismen gehandelt haben, da sich Sauerstoff erst durch die Ausscheidungen der Blaualgen-Bakterien bildete. Dieser wurde bis vor 2,3 Milliarden Jahren aber durch Reaktion mit im Wasser gelöstem Eisen und Schwefel sofort verbraucht. Erst als dieser Prozess zum Erliegen kam, konnte sich eine sauerstoffhaltige Atmosphäre bilden.

Unter einem Tronillo versteht der Seismologe ein schraubenförmiges Erdbebensignal auf einem Seismogramm. Die Signale sind monofrequent und ihre Amplitude klingt mit zunehmender Laufzeit ab. Daher haben sie die Gestalt einer Schraube (auf Spanisch tornillo). Die Frequenz von Tornillos liegt typischerweise im Infraschallbereich.

Tornillos am Vulkan Galeras

Von Tornillos wurde erstmals im Zusammenhang mit dem Ausbruch des Vulkans Galeras (Kolumbien) im Jahr 1993 berichtet. Der Vulkan brach relativ überraschend aus, gerade als sich mehrere Vulkanologen im Krater befanden. 6 Forscher und 3 Touristen starben durch die unerwartete Eruption. Mehrere Personen wurden verletzt. Die Forscher waren im Rahmen einer Konferenz zusammen gekommen und stellten sich natürlich die Frage, ob es nicht doch Anzeichen einer bevorstehenden Eruption gab. Bei der Durchsicht der Seismogramme stieß man auf die Tornillos. Einige Jahre lang galten sie als eindeutiger Hinweis einer bevorstehenden Eruption. Heute weiß man allerdings, das Tornillos vor einen bevorstehenden Vulkanausbruch warnen können, allerdings muss es nicht zwangsläufig zu einer Eruption kommen, wenn zuvor Tornillos registriert wurden. So ist es wie mit vielen anderen Messdaten auch, die alleine für sich genommen kein zuverlässiges Instrument darstellen, um eine Eruption verlässlich vorherzusagen.

Tornillos und der Klang des Vulkans

Die Tornillos repräsentieren ein seismisches Signal im Infraschallbereich. Mittels Synthesizer lassen sich die unhörbaren Geräusche in für uns hörbare Töne umwandeln. So sprechen Vulkanologen gerne von „Orgeltönen“. Die Tornillos entstehen, wenn Gas durch den Förderschlot eines Vulkans gedrückt wird. Je nach Dimension des Förderschlotes und dem Gasdruck, entstehen unterschiedliche Infraschall-Töne. Ganz nach dem Prinzip einer Orgelpfeife.  Die Tornillos unterscheiden sich in Frequenz und Oszillation. So konnten Forscher am Cotopaxi die Tornillos dazu benutzten, den Förderschlot genauer zu untersuchen und auf die Höhe des Magmas im Schlot schließen. Nach der letzten eruptiven Phase im Jahr 2015 war der Schlot zwischen 270 und 320 Meter tief und 125 Meter breit. Bereits in einer früheren Arbeit gelang es Vulkanologen die Tremor-Töne eines Vulkans hörbar zu machen. (Quelle: Johnson et al./ American Geophysical Union)

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.