Observatorium
Um solche Vorhersagen treffen zu können benötigen die Wissenschaftler sowohl grundlegende Informationen über vulkanische Mechanismen, so wie über das geschichtliche Verhalten eines Vulkans. Zu diesem Zweck werden die Ablagerungen vorangegangener Eruptionen untersucht. Menge, Zusammensetzung, Alter und die Art der Ablagerung geben erste Anhaltspunkte über das Verhalten des Vulkans. Doch anhand einer Statistik sind noch keine genauen Vorhersagen möglich.
Hinzu kommt das Monitoring, die ständige Überwachung des Vulkans. Arbeiten die Vulkanforscher vor Ort, ist die technische Ausrüstung von immenser Bedeutung. Auf Hawaii beispielsweise steht bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts am Kraterrand eine Forschungsstation. Von hier aus wird der Vulkan mit modernster Computertechnik überwacht. Daten von Seismografen, Niederschlagsmessern, Überwachungskameras und GPS-Empfängern werden gesammelt und ausgewertet. Eine spezielle Arbeitskleidung wird nur benötigt, wenn sich die Vulkanologen einem Eruptionszentrum nähern. Dass die Arbeit an den Vulkanen gefährlich ist, zeigt sich auch daran, dass immer wieder Forscher dabei zu Tode kommen. So waren beim großen Ausbruch von Mount. St. Helens auch mehrere Geologen unter den Opfern.
Im Allgemeinen achten die Vulkanologen auf wichtige Veränderungen, die beim Aufstieg des Magmas, vor einer Eruption hervorgerufen werden. Im Einzelnen sind dies:
Vulkanische Erdbeben
Seit der Mensch Vulkane beobachtet, wurde bei allen Ausbrüchen im Voraus verstärkte Erdbebenaktivitäten unter und im direkten Umfeld des Vulkans festgestellt. Mit Hilfe seismischer Messungen lassen sich die Beben beobachten. Dazu werden am Vulkan Seismometer installiert. Dies sind Instrumente, die feinste Bodenvibrationen messen können.Etwa 200 aktive Vulkane werden seismisch überwacht. Bei einer hohen Dichte von Messstationen ist es heute möglich, die Beben bis auf 100 m Genauigkeit zu lokalisieren.
Bilder Vulkanbeobachtung
Seismografen
Seismometer
Die Bewegungen des Magmas und hydrothermaler Fluide im Bereich aktiver Vulkane erzeugt ein großes Spektrum unterschiedlicher seismischer Signale. Sie werden durch die Öffnung von Aufstiegswegen, durch die Magmenbewegung entlang alter Bruchflächen und den Fluidtrasport ausgelöst.
Die seismische Überwachung kann also einen Blick in die dynamischen Prozesse im Inneren eines Vulkans ermöglichen.
Die vielleicht markanteste Eigenschaft langsamer Scherwellen ist, dass sie sich in Flüssigkeiten nicht fortpflanzen können. Daher werden sie speziell für das Auffinden von Magmakammern genutzt. Doch auch die Art, Frequenz und Intensität eines vulkanischen Bebens lässt Rückschlüsse auf die Vorgänge in Erdinneren zu.
Um einen Vulkanausbruch vorherzusagen, ist es notwendig die Seismizität in einem Gebiet genau zu kennen, damit die verschiedenen Erdbeben auch einwandfrei einem vulkanischem Event zugeordnet werde können. Dazu ist eine jahrelange Beobachtung nötig. In der Vergangenheit hat sich anhand der beobachteten Ereignisse eine Abfolge von vulkanischen Erdbeben herauskristallisiert, die meistens einem Vulkanausbruch vorangeht.
1. Hochfrequenz-Erdbeben
2. Niedrigfrequenz-Erbeben
3. Harmonische Beben (Tremor)
4. Eruption
In Schwärmen auftretende Hochfrequenz-Erdbeben werden durch Sprödbrüche im Gestein erzeugt. Sie entstehen unter dem Druck des Magmas, das sich seinen Weg an die Oberfläche sucht. Abhängig von der Entfernung, die das Magma zurücklegt, kann diese Art von Beben lange anhalten und muss nicht zwangsläufig zu einem Vulkanausbruch führen.
Erreicht das Magma Tiefen von 3 km, beginnt es, unter dem schwächer werdenden Druck zu entgasen. Es bilden sich Gasblasen, die die Fließfähigkeit des Magmas erschweren. Die Folge ist eine niedrigere Geschwindigkeit der Erbebenwellen. Niedrigfrequenzbeben weisen also auf die Vorgänge in Flüssigkeiten hin.
Sehr charakteristisch sind die harmonischen Beben, auch Tremor genannt. Sie zeichnen sich durch sehr konstante Amplituden und Frequenzen aus. Diese Beben können über Stunden oder sogar Tage anhalten. Da sie in Tiefen von 2 - 4 km und häufig direkt vor der Eruption auftreten werden sie als turbulente Bewegungen der aufsteigenden Magmasäule gedeutet.
Bilder Vulkanbeobachtung
Messstation
Messstationen am Vesuv
Seismogramm
Ausdehnung von Magmakammern
Wichtig für die Überwachung von Vulkanen ist auch die Beobachtung der Bodendeformation. Steigt Magma auf und sammelt sich im Inneren des Vulkans, so schwillt der Berg allmählich an. Die Folge ist, seine Oberfläche dehnt sich.Risse entstehen, Neigungen und Entfernungen verändern sich. Um diesen Veränderungen auf die Spur zu kommen, sind Neigungs- und Entfernungsmessungen nötig. Dazu verwendet man heute präzise Überwachungstechniken. Entfernungen werden mit Electronic-Distance-Meter, kurz EDM auf den Millimeter genau gemessen. Das Gerät sendet elektromagnetische Signale, die von einem angepeilten Objekt reflektiert und wieder im EDM empfangen werden. Anhand der Phasenverschiebung des empfangenen Signals kann die Entfernung bestimmt werden. Vergleichsmessungen geben Aufschluss über die Entwicklung.
In den letzten Jahren wird jedoch zunehmend das Satellitenmeßsystem GPS für die Entfernungsmessungen genutzt.
Vulkanische Gase
Die Menge und die Zusammensetzung der austretenden Gase ist ein weiterer Indikator für einen bevorstehenden Vulkanausbruch. Die im Magma gelösten Gase werden über Fumarolen, Risse und aktive Krater an die Atmosphäre abgegeben. Doch ihr bloßes Vorhandensein sagt noch nichts über bevorstehende Ausbrüche aus. Auch in der Kruste stagnierende Magmenkörper setzen Gase frei. Wichtig sind signifikante Änderungen in der Gaszusammensetzung. In der Vergangenheit wurden häufig stark erhöhte SO2- Emissionen einige Zeit vor Vulkanausbrüchen beobachtet.Um die Gaszusammensetzung festzustellen, werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. Die direkte Entnahme von Gasproben ist die genauste und auch gefährlichste Möglichkeit, da die Forscher sich dazu sehr nah an die aktiven Gebiete heranwagen müssen. Die Entnahme der Gase erfolgt unmittelbar an Gasaustritten. Die flüchtigen Stoffe werden in, mit Analyselösung gefüllte Glaskolben geleitet, gesammelt und später im Labor untersucht. Leider liefert diese Methode nur eine Momentaufnahme. Aus kontinuierlichen Messungen ist bekannt, dass sich Gaszusammensetzungen sehr kurzfristig ändern können.
Am besten sind kontinuierliche Messungen der Gaszusammensetzung vor Ort. Sie ist technisch sehr viel aufwändiger liefert jedoch vollautomatische Ergebnisse lückenlos und in Echtzeit.
Aus der Ferne erfolgt die Messung vulkanischer Gase mit einem Gasspektrometer, dem sogenannten COSPEC. An der Entwicklung dieser tragbaren Geräte war das Vulkanforscherpaar Katja und Maurice Krafft maßgeblich beteiligt.
Während größer Ausbrüche können auch Satellitensysteme zur Gasmessung eingesetzt werden.
Bilder Vulkanbeobachtung
Gasproben Entnahme
Lavatemperatur Messung
Thermalbild eines Lavastroms
Aufheizung
Auch mit einfachen Temperaturmessungen lässt sich bevorstehenden Vulkanausbrüchen auf die Spur kommen. Denn aufsteigendes Magma erwärmt das umliegende Gestein. Die Bodentemperatur, aber auch die Temperaturen von Fumarolen, Wasserquellen und Kraterseen steigen an. Dabei kommt es auch zu plötzlichen Schneeschmelzen.Kleinräumig werden die Temperaturen mit Temperatursonden gemacht. Wärmebildkameras liefern hierbei ebenfalls wertvolle Dienste, liefern allerdings nicht die genausten Ergebnisse. Im Rahmen der Fernerkundung werden immer mehr Infrarotaufnahmen von Satelliten gemacht. Diese erfassen meistens großräumige Strukturen und liefern keine Absolutwerte, sondern nur Temperaturbereiche.
Für sich alleine sind all die geschilderten Beobachtungsverfahren nicht aussagekräftig genug um Vorhersagen über das Verhalten eines Vulkans zu treffen. Erst in ihrer Gesamtheit ergeben sich genügend Daten um relevante Aussagen machen zu können. Dennoch ist man wissenschaftlich noch weit von einer präzisen Vorhersage eines Vulkanausbruchs entfernt. Dazu ist das Wissen über die Ausbruchsmechanismen, die von Vulkan zu Vulkan unterschiedlich sind noch zu gering. Besonders bei sehr selten eruptierenden Vulkanen ist es schwer genügend Referenzwerte zu sammeln. So wissen die Vulkanologen heute meistens um einen bevorstehende Vulkanausbruch, können aber nur selten einen genauen Zeitpunkt einer beginnenden Eruption prognostizieren.