Wiki Vulkane und Erdbeben

Vulkanische Gase treten an aktiven Vulkanen aus und stammen aus dem Magma, in dem sie im Erdinneren gelöst sind. Bei einem Vulkanausbruch werden diese Gase zum großen Teil aus dem Magma freigesetzt und entweichen entweder aus dem Schlot oder aus Fumarolen. Wenn das Magma entgast ist, wird es Lava genannt. Das Gas entweicht allerdings nicht vollständig und so können Gasblasen in erkalteter Lava eingeschlossen werden. Auch ohne Eruption können aus einem Vulkan Gase entweichen.

Solange sich die Gase im Erdinneren befinden, stehen sie unter Druck und sind großer Hitze ausgesetzt. Daher können sie auch andere Aggregatzustände annehmen und werden unter dem Begriff „Fluide“ zusammengefasst. Da sie aus dem Magma entweichen können, werden sie teilweise auch als flüchtige- oder volatile Bestandteile des Magmas bezeichnet.

Vulkanische Gase werden bereits im Magmenkörper frei, wenn sich Druck und Temperaturbedingungen ändern und die Schmelze aufsteigt. Auch Kristallisationsprozesse im Magmenkörper können die volatilen Komponenten freisetzen. Sie steigen durch Risse im Gestein auf und treten an kleinen Öffnungen in der Erdkruste aus. Diese Öffnungen nennt man Fumarolen oder Mofetten. Die Bezeichnung der Gasaustritte ist mit der Gastemperatur assoziiert: treten heiße Gase aus, bilden sich Fumarolen. Sind sie relativ kalt, dann nennt man die Austritte Mofetten. Besonders um Fumarolen können sich mineralische Ablagerungen aus den kondensierenden Gasen bilden.

Normalerweise ist das vulkanische Gas, das an einem Vulkan austritt, unsichtbar. Erst bei Abkühlung kondensieren Wassertropfen und es bildet sich sichtbarer Dampf. So ist auch die Gasphase von Wasser, die im Allgemeinen fälschlich als Wasserdampf bezeichnet wird, die Hauptkomponente vulkanischer Gase. Das zeigt, dass Wasser ein Bestandteil des Magmas ist und somit auch von Gesteinen.

Hier eine Liste der häufigsten vulkanischen Gase:

Meistens haben vulkanische Gase, die an Fumarolen oder einem Vulkanschlot austreten, Temperaturen zwischen 200 und 800 Grad Celsius. Es sind aber auch niedrigere und höhere Temperaturen möglich. Bei Gastemperatur von weniger als 100 Grad Celsius handelt es sich meistens um Mofetten, an denen Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid austritt. Diese Gase werden vor einem Vulkanausbruch als Erstes freigesetzt und auch als Letztes nach einer Eruption.

Die vulkanischen Gase spielen eine wichtige Rolle bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen. Ein wichtiges Kriterium ist die Menge freigesetzten Schwefeldioxid, die im direkten Zusammenhang zur Menge des aufsteigenden und eruptierten Magmas steht. Auch die Gastemperatur an Fumarolen ist ein wichtiges Indiz für den Magmenstand im Fördersystem eines Vulkans. Es gilt die Regel, dass das Magma umso höher steht, je heißer die ausgestoßenen Gase sind. Temperaturen von mehr als 450 Grad werden als kritisch angesehen, dann steht ein Vulkanausbruch sehr wahrscheinlich unmittelbar bevor.

An einem potentiell aktiven Vulkan ist man unterschiedlichen Vulkangefahren ausgesetzt und Anwohner und Vulkanbeobachter können sich nie absolut sicher fühlen. Selbst wenn ein Vulkan momentan nicht ausbricht, so kann er es jederzeit wieder tun, solange er nicht als erloschen gilt. Das ist der Fall, wenn die letzte Eruption länger als 10.000 Jahre her ist. Es gibt aber auch Vulkane, die nach einem viel längeren Pausenintervall wieder aktiv werden können. Daher ist es wichtig, sich über den Vulkan genau zu informieren, den man evtl. besuchen möchte.

Am gefährlichsten sind große Calderavulkane und dombildende Stratovulkane. Sie neigen dazu explosive Eruptionen zu erzeugen, die sich in einem großen Umkreis um den Vulkan auswirken können. Nicht ganz so gefährlich sind die meisten Schildvulkane, die überwiegend effusiv tätig sind. Sie erzeugen für gewöhnlich dünnflüssige Lavaströme, denen man oft ausweichen kann. Trotzdem können auch sie Ortschaften zerstören und Leben gefährden. Oft gibt es Vorwarnungen, sodass man sich in Sicherheit bringen kann. Ohne Vorwarnung bricht auch meistens ein explosiv tätiger Vulkan nicht aus. So kann man sich genau überlegen, ob man als Urlauber eine Vulkantour wagen will.

Dombildende Vulkane sind häufig effusiv aktiv und bauen an ihrem Lavadom. Dieser kann ohne weitere Vorwarnung kollabieren oder explodieren und pyroklastische Ströme erzeugen, von denen eine große Gefahr ausgeht. Gefährlich sind auch Lahars, die besonders bei Regen auftreten, wenn zuvor Asche am Vulkan abgelagert wurde. Lahars und pyroklastische Ströme fließen für gewöhnlich durch Schluchten und Flusstälern. Daher sind diese an Vulkanen besonders zu meiden.

Explosiv tätige Vulkane werfen Pyroklastika aus. Größe und Reichweite von Lavabrocken, die auf einer ballistischen Flugbahn fliegen, hängt von der Stärke der Explosion ab. Unter Umständen können Lavabomben mehrere Zehner Kilometer weit fliegen und Schäden anrichten oder Menschen verletzen und töten. So etwas kam auch bereits am Stromboli vor. Eine große Gefahr an Vulkanen geht auch von vulkanischen Gasen aus, in denen man ersticken kann oder die einen verbrennen.

Generell gilt es an Vulkanen den Weisungen der Behörden folge zu leisten und sich gut zu informieren!

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• Risiko an Vulkanen
• Vulkanspotter

Gefahrenkarten gibt es in den verschiedensten Ausführungen und zeigen besonders gefährdete Gebiete auf einer Landkarte. Es gibt Karten für die unterschiedlichsten Gefahren, wie Hochwasser, Erdrutsche und Stürme. In unserem Kontext markieren sie entweder Regionen mit einem besonders hohen Erdbebenrisiko, oder die Gefahrenzonen um einen aktiven Vulkan.  So hat praktisch jeder aktive Vulkan in bewohnten Gegenden seine eigenen Gefahrenkarte. Auch für seismisch aktive Zonen gibt es sie. In den Gefahrenkarten fließt oft die Arbeit vieler Geowissenschaflter ein, die jahrelang Grundlagenforschung betrieben haben.

Gefahrenkarten für Vulkane

Um die Gefahrenkarte eines Vulkans zu erstellen, ist es nötig den Vulkan genau zu kartieren. Dazu wird die Morphologie des Vulkangebäudes erfasst. Wo gibt es Instabilitäten, Schluchten, oder Bachläufe? Die Ablagerungen vergangener Eruptionen werden in einer geologischen Karte eingezeichnet. Ignimbrit-Schichten dokumentieren, dass der Vulkan pyroklastische Ströme erzeugen kann und zeigen, wie weit diese flossen. Natürlich werden auch erkaltete Lavaströme kartiert. Alle Informationen werden dann in einer Risikoanalyse erfasst und Zonen definiert, in denen es mehr, oder weniger gefährlich ist. Erwacht ein Vulkan, dann werden die Anwohner in den am meisten gefährdeten Zonen als erstes evakuiert.

Erdbebenkarten

Gefahrenkarten für Erdbeben sind meistens großflächiger angelegt, als jene über Vulkane. So gibt es zum Beispiel eine Gesamtkarte für die Erdbebengefährdung in Deutschland. Über farbige Codes werden die Zonen mit einem entsprechenden Erdbebenrisiko angezeigt. Berücksichtig werden dabei auch die entfernungsabhängigen Intensitäten in größerer Entfernung eines dominanten Störungssystems. Als Basis für diese Karten dienen nicht nur tektonische Kenntnisse, sondern auch das Wissen um historische Erdbeben und um die aktuelle Seismizität der Region. Die Gefahrenkarten werden von Zeit zu Zeit aktualisiert. Die hier gezeigte Deutschlandkarte stammt aus dem Jahr 2018. Hier flossen historische Daten der letzten 1000 Jahre ein. Die Forscher stellten fest, dass zahlreiche Erdbebenüberlieferungen, die in der vorherigen Karte berücksichtigt wurden, falsch waren und dass Erdbeben oft fehlinterpretiert wurden.

Der Geodynamo ist ein Modell, dass herangezogen wird, um die Entstehung des Erdmagnetfelds zu erklären. Unter dem Einfluss physikalischer Kräfte rotiert im Äußeren Erdkern leitfähige Materie (geschmolzene Metalle) schraubenförmig. Zudem umhüllt die Metallschmelze den Inneren Erdkern aus festem Metall. Hierdurch entsteht ein Strom, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld ist selbsterhaltend.

Die schraubenförmigen Strömungen in der Metallschmelze soll durch Temperaturunterschiede im Erdinnern entstehen. Gravitation und Erdrotation dienen als zusätzlicher Antrieb der Metallströmungen. Dieses Modell wurde in einem Versuchsaufbau mit flüssigem Natrium simuliert. Der Versuch wurde am Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt.

Frühere Überlegungen, dass es im Erdkern einen Permanentmagneten geben könnte, wurden mittlerweile widerlegt: der Erdkern ist 6000 Grad Celsius heiß. Bei solchen Temperaturen kann es keinen Permanentmagneten geben.

Der Geodynamo erzeugt das Erdmagnetfeld der Erde, welches die Erdoberfläche vor dem Bombardement mit kosmischer Strahlung schützt. Primär sind es Partikel des Sonnenwindes, die Auswirkungen auf Klima und Lebewelt haben können. Treffen besonders viele Sonnenwindpartikel auf der Erdmagnetfeld entstehen Polarlichter.

Der Geodynamo steht in direkter Wechselwirkung mit den Gesteinsschmelzen im unteren Erdmantel. Dort bilden sich Konvektionszellen aus Gesteinsschmelze, die für die Kontinentalwanderung verantwortlich sind. Sie bedingen auch einen Großteil des Vulkanismus auf der Erde. Die strömende Metallschmelze im Äußeren Erdkern gibt nicht nur Energie an die Konvektionszellen im unteren Erdmantel ab, sondern könnte auch Mantelplumes anheizen. Wissenschaftler der Universitäten von  Jilin und Nevada fanden in einer gemeinsamen Studie heraus, dass Mantelplumes viel tiefer wurzeln, als man bislang annahm. So könnten die Ströme aus geschmolzenen Metall auch Hotspot Vulkane auf Hawaii und anderswo beeinflussen. Zu diesem Schluss kamen die Forscher, weil das leicht flüchtige Element Helium an Hotspot Vulkanen freigesetzt wird. Das Helium scheint im unteren Erdmantel an Eisendioxid gebunden zu sein und bildet dort ein FeO₂He Mineral. FeO₂He ist nur unter extrem hohen Drucken und Temperaturen stabil, so wie sie im Grenzbereich des Unteren Erdmantel zum Oberen Erdkern vorkommen.

Unter dem geothermischen Gradienten versteht man die Temperaturzunahme in der Erdkruste mit der Tiefe. Im oberen Bereich der Kruste beträgt der geothermische Gradient in Deutschland gut 3 Grad auf 100 m Tiefe. Regional kann es zu großen Unterschieden kommen. Im Oberrheingraben liegt der geothermische Gradient bei 5 Grad. Klimatische Bedingungen beeinflussen die Temperatur nur auf die ersten Meter im Boden. In Deutschland herrschen in einer Tiefe von 15 m konstante 10 Grad Celsius.

Wärmestrom und Wärmedichte

In magmatisch/vulkanisch aktiven Gegenden kann der geothermische Gradient um einiges höher liegen. Extremwerte von 20 Grad pro 100 m sind möglich. Während in diesen Regionen die zusätzliche Erdwärme von einem Magmenkörper in der Erdkruste herrührt, ist die normale Temperaturzunahme mit der Tiefe dem Wärmestrom aus dem Erdinneren geschuldet. Er hängt maßgeblich vom zunehmenden Druck in der Tiefe ab. Im Erdmantel und im Erdkern spielt überwiegend radioaktiver Zerfall eine Rolle. Ca. 30 Prozent der Erdwärme stammt noch aus Zeiten der Erdentstehung. Der Wärmestrom ist eine Wärmeleistung und wird in Watt angegeben. Die gesamte Erde gibt 47 TW Wärme an den Weltraum ab. Die natürliche mittlere Wärmestromdichte an der Erdoberfläche beträgt 91,6 mW/m².

Die treibende Kraft hinter dem Fließen des Wärmestroms ist dabei das Temperaturgefälle vom rund 6000 °C heißen Erdkern zur durchschnittlich 15 °C kalten Erdoberfläche.

Der Wärmestrom ist abhängig von der Gesteinsdichte. Besonders Fluide wie Tiefenwässer können den Wärmestrom regional beeinflussen. Bohrungen, etwa zur Gewinnung von Erdwärme, haben ebenfalls einen Einfluss.

Energie aus der Erdwärme

Besonders in vulkanisch aktiven Gegenden wird die Wärme aus dem Erdinneren zur Erzeugung von Strom genutzt. Der Weg von der Erdwärme zum Strom führt dabei über die Erzeugung von heißem Wasserdampf. Er wird gewonnen, indem man Bohrungen abteuft und Wasser in den Untergrund pumpt. In Form von Dampf kommt es wieder hoch und steht unter so hohem Druck, dass damit Generatoren angetrieben werden. Auch heißes Wasser kann so gewonnen werden.

Einen normalen geothermischen Gradienten, also einen Temperaturunterschied von wenigen Grad, kann man sich mittels einer Sole-Wasser-Wärmepumpe zunutze machen.

Entstehung von vulkanische Gewittern und Blitzen in Aschewolken

Starke, explosive Eruptionen können vulkanische Blitze bzw. vulkanische Gewitter generieren, die in Aschewolken auftreten. Diese Blitze sind ein spektakuläres Naturphänomen, das die gewaltige Energie eines Vulkanausbruchs eindrucksvoll sichtbar macht.

Einzelne vulkanische Blitze können bei strombolianischen und vulcanianischen Eruptionen entstehen, wie wir sie an regelmäßig eruptierenden Vulkanen wie Sakurajima, Colima, Fuego oder jüngst am Ibu kennen. Regelrechte vulkanische Gewitter mit oft Tausenden Blitzen kommen normalerweise bei stärkeren Eruptionen vor, bei denen Aschewolken über 10 Kilometer hoch aufsteigen. Besonders für plinianische Eruptionen sind sie typisch. Sie wurden aber auch schon bei schwächeren Eruptionen mit lang anhaltendem Ascheausstoß beobachtet.

Besonders die Entstehung vulkanischer Blitze bei mäßig starken Eruptionen ist nicht zur Gänze geklärt. Hier bleibt die Frage offen, warum bei vergleichbar starken Eruptionen mal Blitze entstehen und ein anderes Mal nicht.

Generell kommt die Forschung zum Schluss, dass vulkanische Gewitter durch die komplexen Wechselwirkungen zwischen Vulkanasche und Gasen entstehen, die bei explosiven Eruptionen freigesetzt werden. Während der Eruption der Tephra kommt es zu folgenden Prozessen:

1. Ladungstrennung: Wenn die vulkanische Asche und die Gesteinspartikel in die Atmosphäre geschleudert werden, reiben sie aneinander. Diese Reibung führt zur Trennung von elektrischen Ladungen. Einige Partikel laden sich positiv auf, während andere negativ geladen werden.
2. Bildung von Ladungsschichten: Die verschiedenen geladenen Partikel ordnen sich in der Aschewolke an und bilden unterschiedliche Schichten von positiven und negativen Ladungen. In der Regel sammeln sich die negativen Ladungen in den unteren Teilen der Wolke und die positiven Ladungen in den oberen Teilen.
3. Elektrische Feldbildung: Die Ladungstrennung und die Schichtung der geladenen Partikel erzeugen ein starkes elektrisches Feld innerhalb der Aschewolke. Wenn die Spannung zwischen den Ladungsschichten groß genug wird, kann es zu einem Ladungsausgleich kommen.
4. Entladung und Blitze: Der Ladungsausgleich erfolgt durch elektrische Entladungen, die wir als Blitze wahrnehmen. Diese Blitze sind ähnlich denen, die bei normalen Gewittern auftreten, aber sie entstehen innerhalb der vulkanischen Aschewolke. Diese Blitze können zwischen verschiedenen Teilen der Aschewolke oder zwischen der Wolke und dem Boden auftreten.

Welchen Einfluss die einzelnen Parameter einer Eruptionswolke auf die Entstehung vulkanischer Gewitter nehmen, ist noch nicht hinreichend erforscht. Menge, Dichte und Geschwindigkeit der ausgestoßenen Partikel variieren von Eruption zu Eruption und werden maßgeblich beeinflussen, ob ein vulkanisches Gewitter entsteht. Hinzu könnten besonders bei den mäßig starken Eruptionen atmosphärische Bedingungen eine Rolle spielen und die Blitzhäufigkeit beeinflussen.

Geysir ist der Sammelbegriff für heiße, vulkanische Springquellen, die eine Wasserfontäne fördern. Das Auswerfen der Wasserfontäne geschieht meistens periodisch. Wenn der Geysir ausbricht, nennt man diesen Vorgang „springen“. Alternativ kann man das Springen des Geysirs auch als Eruption bezeichnen.

Der Große Geysir von Island

Das Wort Geysir wurde in Island geprägt und stammt von geysa ab, was soviel wie „in Wallung bringen“ bedeutet. Wenn die Isländer schon das Wort Geysir prägten, dann ist es nahe liegend Island als Land der Geysire zu bezeichnen. Tatsächlich gibt es auf Island eine hohe Anzahl Geysire. Namensgebend war der „Große Geysir“ im Thermalgebiet von Haukadalur. Dort liegt auch der Strokkur. Er ist der aktivste Geysir der Insel.

Die meisten Geysire verdanken ihre Existenz dem Vulkanismus, oder Magmatismus. Für die Bildung eines Geysirs muss es ein hydrothermales System im Boden geben. Die Thermalenergie stammt in der Regel von einer Magma-Ansammlung (Magmenreservoir) im Untergrund. Es muss soviel Hitze nachkommen, dass das Wasser überhitzt und heißer als 100 Grad wird. Das benötige Wasser ist eine Mischung aus Grundwasser und Regenwasser. Als dritte Voraussetzung für das Entstehen eines Geysirs braucht man einen senkrechten Schacht mit einer Engstelle. In diesem Schacht sammelt sich das Wasser, welches sich von unten erwärmt. Durch den Druck der Wassersäule im Schacht, kann das Wasser zunächst nicht sieden, da sich der Siedepunkt erhöht. Doch irgendwann bilden sich einzelne Gasblasen. Sie steigen auf und heben das Wasser über der Engstelle an, welches aus dem Schacht überläuft. Es kommt zur Druckentlastung und rapider Dampfentwicklung, die das Wasser explosionsartig aus dem Schacht treibt. Der Geysir springt. Dabei wird eine Mischung aus Wasser und Dampf gefördert. Gelegentlich können Steine aus dem Schacht mitgerissen werden.

Tatsächlich gibt es die meisten Geysire der Welt nicht auf Island, sondern im Yellowstone Nationalpark in den USA. In dem Thermalgebiet gibt es mehr als 300 Geysire und geysirartige Quellen. Das ist mehr als die hälfte aller Geysire weltweit. Zu den bekanntesten Geysiren hier zählen Old Faithful, Castle- und Steamboat Geyser. Letzterer springt seit 2018 regelmäßig und ist der größte Geysir der Erde.

Weitere bedeutende Geysire gibt es auf Neuseeland, in Kamtschatka und der chilenischen Hochgebirgswüste Atacama. Hier gefriert das Wasser oft, bevor es den Boden erreicht.

Kaltwasser-Geysire

Eine besondere Geysir-Art sind die Kaltwasser-Geysire. Treibende Kraft hinter diesen Geysiren ist nicht geothermaler Wasserdampf, sondern das Gas Kohlendioxid. Dieses sammelt sich in einer Kappe unterhalb des Schachts, bis soviel Gas vorhanden ist, dass es die Wassersäule aus selbigen treibt. Die meisten Kaltwasser-Geysire wurden durch künstliches aufbohren von Kolhensäurequellen erzeugt. Bekanntes Beispiel ist hier der Andernacher Kaltwassergeysir in der Vulkaneifel.