Der Mount Redoubt in Alaska ist ein aktiver Vulkan und mit 3.108 Metern der höchste Berg der Aleutenkette. Der Vulkan brach am 15. Dezember 1989 aus. Die Eruption dauerte fünf Monate an, dabei entstand eine 14.000 Meter hohe Aschewolke, die eine Fläche von über 20.000 Quadratkilometer bedeckte. Foto: R. Clucas/USGS

Terry Plank vor dem Mount Carlisle im Aleuten-Bogen, während Feldarbeiten zur Sammlung von Proben aus explosiven vulkanischen Ablagerungen. Foto: D. Rasmussen

Dr. Anna Barth, eine Mitarbeiterin von Terry Plank, beim Sammeln von Proben der Ausbrüche von 1992 und 1995 des Vulkans Cerro Negro in Nicaragua. Quelle: Anna Barth

Der Poás ist ein Vulkan in Costa Rica mit einer Höhe von 2.708 Metern. Der aktive Krater enthält die Laguna Caliente, einen der säurehaltigsten Kraterseen der Welt. Der letzte Ausbruch des Poás war am 8. Februar 2024, kurz bevor Terry Plank dort im Rahmen des AVERT-Projekts einen Feldworkshop durchführte. Foto: Terry Plank

Karte mit allen derzeit aktiven Vulkanen. Insgesamt 46 Vulkane befanden sich am 2. März 2024 im Status der kontinuierlichen Eruption. Die meisten von ihnen stehen im Zusammenhang mit Subduktion an Kontinentalplatten. Quelle: Smithsonian Global Volcanism Program

Infrarotspektroskopische Analyse zur Bestimmung des Wasser- und CO₂-Gehalts von vulkanischen Kristallen und Glas. Foto: Terry Plank

Olivinkristalle aus vulkanischen Proben, bereit für die chemische Analyse. Foto: Terry Plank

Ruhelose Erde – Gefahren durch Vulkanausbrüche
Heute leben etwa 800 Millionen Menschen im Umkreis von 100 Kilometer um einen aktiven Vulkan. Prognosen zufolge wird diese Zahl bis 2040 auf eine Milliarde anwachsen. Das Leben, die Infrastruktur und die Lebensgrundlage dieser Gemeinschaften sind ständig von Zerstörung bedroht, wie uns alle paar Monate vor Augen geführt wird, wenn irgendwo eine Bevölkerung aufgrund eines Vulkanausbruchs vertrieben wird. Selbst diejenigen von uns, die nicht im Schatten eines Vulkans leben, können von Vulkanausbrüchen betroffen sein. Mehr als 50.000 Menschen überfliegen täglich den Luftraum über Vulkanen, und Vulkanausbrüche haben aufgrund von Flughafenschließungen wirtschaftliche Verluste in Höhe von über 4 Milliarden Euro verursacht. Historische Vulkanausbrüche haben aufgrund der klimatischen Auswirkungen der massiven Schwefelinjektion in die Stratosphäre zu Jahren ohne Sommer, Hungersnöten und gesellschaftlichem Zusammenbruch geführt. Die größten Vulkanausbrüche betreffen uns alle. 

Es mag überraschen, dass sich Dutzende von Vulkanen in einem Zustand erhöhter Aktivität befinden oder gerade jetzt ausbrechen. Die überwiegende Mehrheit dieser Vulkane befindet sich an Subduktionszonen rund um den Pazifischen Feuerring und haben das Potenzial für explosive Ausbrüche. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch an Hotspots wie Hawaii oder an Spreizungszonen wie auf Island Vulkane, die in der Regel ihre Lava langsam ausstoßen. Was führt dazu, dass manche Vulkane explosiver sind als andere? Bei explosiven Eruptionen werden große Volumenanteile von Gas freigesetzt, die das geschmolzene Gestein auseinanderschleudern. Bei diesem Gas handelt es sich hauptsächlich um H₂O, also Wasser im gasförmigen Zustand.

Das "Sodaflaschen"-Modell
Eine Hypothese könnte daher lauten, dass Magmen mit größeren Mengen an Wasser explosivere Eruptionen haben. Diese Hypothese wurde jedoch bereits mehrfach widerlegt, da explosive Eruptionen die gleiche Menge an Ausgangswasser haben können wie schwache Eruptionen desselben Vulkans. Es ist also ein anderes Phänomen im Spiel, das jedem, der schon einmal eine Flasche Limonade geöffnet hat, intuitiv einleuchtet. Wenn nach dem Schütteln der Flasche keine Eruption erwünscht ist, kann man den Verschluss langsam öffnen und das Gas aus der Flüssigkeit entweichen lassen. Der gleiche Vorgang könnte auch unter Vulkanen stattfinden. Anstatt einen Deckel zu öffnen, wird der Druck in Magmen auf natürliche Weise verringert, wenn sie nach oben steigen, wo die Masse des Deckgebirges geringer ist. Wenn Magmen langsam aufsteigen, können die schwimmfähigen Gasblasen schneller aufsteigen als das Magma und aus dem Vulkanschlot entweichen, wodurch die Explosion entschärft wird. Dies ist eine Hypothese, die wir zu testen versuchen.

Kristalle in aufsteigenden Magmen sind Zeitarchive. In der Tiefe enthalten die Kristalle reichlich Wasser, das im Gleichgewicht mit der Schmelze steht. Wenn das Magma aufsteigt und einen niedrigeren Druck erreicht, sinkt die Löslichkeit des Wassers, und es bilden sich wasserreiche Blasen, während die Schmelze trockener wird. Die Kristalle streben danach, ihr Wasser ebenfalls an die Blasen zu verlieren, aber die chemische Diffusion durch den Kristall ist langsamer als in der Schmelze, und die Kristalle werden zoniert. Wenn das Magma langsam aufsteigt, haben die Kristalle mehr Zeit, ihr Wasser zu verlieren, während bei einem schnellen Aufstieg nur die Ränder der Kristalle ihr Wasser verlieren, während das Innere des Kristalls davon unberührt bleibt. Mit Hilfe der Infrarotspektroskopie messen wir die Zonierung des Wassers im Mineral Olivin bei zwei Ausbrüchen des Vulkans Cerro Negro (Nicaragua) und modellieren dann das Muster, um die Aufstiegsgeschwindigkeit des Magmas zu bestimmen. Wir stellen fest, dass Magma vor den explosiveren Eruptionen des Cerro Negro schneller aufsteigt als bei schwachen Eruptionen, was das "Sodaflaschen"-Modell unterstützt.

Die Zeitskala des Magmaaufstiegs kann erstaunlich schnell sein - Minuten bis Stunden ab einer Tiefe von Kilometern. Manche Magmen rasen so schnell an die Oberfläche, wie man rennen kann! Dies stellt eine Herausforderung für rechtzeitige Vorhersagen dar. Allerdings senden Vulkane vor dem Ausbruch viele andere Signale aus - Erdbebenschwärme, Veränderungen in der Gaschemie und Hebung des Bodens -, die über Tage, Wochen und Jahre hinweg auftreten können. Die Zukunft der Vorhersage von Vulkanausbrüchen liegt in der Integration dieser verschiedenen Signale über unterschiedliche Zeitskalen in ein prozessbasiertes Modell mit offenen Echtzeitdaten.

► Zu den Exzellenz-Professuren