Vulkanausbrüche

Einleitung

Vulkane faszinieren und ängstigen die Menschen seit Urzeiten gleichermaßen. Sie sprachen ihnen sogar oft göttliche bzw. religiöse Funktionen zu. Sie dienten außerdem hier und dort der Navigation, wie beispielsweise der Stromboli auf der gleichnamigen Liparischen Insel nördlich Siziliens vor Italien. Aber meistens brachten und bringen aktive Vulkane Tod und Verderben über die Menschen in ihrer Umgebung.

Jedem ist sicherlich der Ausbruch des Vesuvs im Jahr 79 n.Chr. bekannt, der Pompeji und Herculaneum unter sich begrub. Oder der Ausbruch, der eher einer Explosion glich, des St. Helens im Jahr 1980 im US-Bundesstaat Washington.
Und der Ausbruch des Eyjafjallajökull auf Island legte vom 16. April bis zum 21. April 2010 infolge seiner Aschewolke Teile des weltweiten Flugverkehrs lahm.
Zur Zeit gibt es ca. 1.500 aktive Vulkane auf der Erde. Da die Vorhersage für deren mögliche Ausbrüche mittlerweile recht gut sind, haben sie viel von ihrem Schrecken verloren, da sich die Menschen gegebenenfalls rechtzeitig in Sicherheit bringen können. Besonders heimtückisch sind allerdings Vulkanausbrüche am Meeresboden in der Tiefsee, da sie oft verheerende Flutwellen (Tsunamis) zur Folge haben.

Was versteht man unter einem Vulkan?

Unter einem Vulkan versteht man eine geologische Formation, die dadurch entstanden ist, dass geschmolzenes Gestein (Magma) bis an die Oberfläche der Erdrinde aufsteigt. 
Unter Magma versteht man die flüssige und heiße Gesteinsschmelze, die in der tiefen Erdkruste und im oberen Erdmantel entsteht. Lava ist dann das aus einem Vulkan austretende bzw. ausgetretene Magma.Im Prinzip können Vulkane dabei auf drei verschiedene Arten entstehen:

  • Durch den Spalt von auseinander driftenden Erdplatten kann heiße Magma an die Erdoberfläche gelangen
  • Durch die Verschiebung einer Platte "nach unten" durch eine darüber gleitende schmilzt Gestein und wird mit tiefer liegender Magma nach oben gedrückt.
  • Magmablasen inmitten von Platten können einen starken Druck aufbauen und sich als Vulkaneruption entladen

Der Name Vulkan stammt von dem römischen Gott des Feuers Vulkan (Vulcanus), der seine Schmiede, der Mythologie nach, in dem Vulkan auf der Insel Vulcano gehabt haben soll. Die Insel Vulcano ist eine der sieben Inseln der Liparischen Inseln vor der italienischen Küste, nördlich von Sizilien. Sie ist gut mit dem Schiff erreichbar und u.a. bekannt für ihre natürlichen warmen Schwefelbäder. Einen Besuch des Gipfels sollte jeder Besucher unternehmen.

Vulkanarten

Man kann auf Grund der äußeren Erscheinung im Prinzip zwei Arten von Vulkanen unterscheiden. Es sind dies:

  • Schichtvulkane
    Die bekanntesten Schichtvulkane sind der Fujisan in Japan, der Mount St. Helens in den USA oder der Pinatubo auf den Philippinen.
    Unter Schichtvulkanen versteht man die von ihrem äußeren Erscheinungsbild her sehr steilen und spitzhügeligen Vulkane. Sie entstehen auf Grund der kieselsäure- und gasreichen Zusammensetzung des ca. 700°C bis 1000°C heißen Magmas. Auf Grund dieser Zusammensetzung entstehen explosionsartige Ausbrüche zusammen mit dem Austritt von lockerem Material, wie Asche und Lava. Diese Explosionsart führt zu der charakteristischen Form dieser Vulkane. Etwa 95 % aller Vulkane sind Schichtvulkane, aber 90 % der aktiven Vulkane sind Schildvulkane.
  • Schildvulkane
    Ihren Namen erhielten die Schildvulkane auf Grund ihres breiten, schildartigen Aussehens, die Steigerungswinkel unter 10° besitzen. Sie kamen durch das Austreten sehr heißer (bis zu 1300°C) und damit sehr flüssiger und gasarmer Magma zustande. Schildvulkane sind meistens eher niedrig.
    Schildvulkane findet man z.B. auf Hawaii oder an auseinander driftenden Kontinentalplattenrändern. Der Vogelsberg in Hessen ist in Deutschland der einzige Schildvulkan.

Vulkan Erta Ale (Äthiopien)
Der Erta Ale ist ein basaltischer Schildvulkan im Afar-Dreieck (Danakil) im Nordosten Äthiopiens,

Vulkan Erta Ale © goruma (S.Horn) 

Vulkan Explosions Index (VEI)

Die Naturwissenschaftler aller Fachrichtungen versuchen immer wieder, Ereignisse so gut es geht, messbar und damit in Zahlen darstellbar zu machen. Das gilt auch für die Stärke von Vulkanausbrüchen.
Als Messgrößen für die Stärke eines Vulkanausbruchs hat man die Menge an ausgestoßenem Material und die Höhe der dabei entstandenen Rauchsäule eingeführt. In der folgenden Tabelle sind die dazu eingeführten VE-Indexe, die von 0 nach oben unbegrenzt sind, dargestellt. Da aber ein VE-Index von 9 und mehr eine globale existenzielle Katastrophe darstellen würde und außerdem als extrem selten gelten kann, hat man die Indexe nur bis VEI = 8 dargestellt. Man erkennt, dass die Tabelle logarithmisch aufgebaut ist, was bedeutet, dass jeder Index einen zehnmal so starken Ausbruch wie der vorherige Index bedeutet.

Der VE-Index stammt von den Geologen Chris Newhall und Steve Self, die ihn im Jahr 1982 in die Vulkanforschung einführten.

VE-Index Höhe der Rauchsäule in (m) Materialausstoß (Tephra*) weltweite Häufigkeit
0 100 mehr als 1.000 m3 täglich
1 100 -1.000 mehr als 10.000 m3 täglich
2 1.000 - 5.000 mehr als 1.000.000 m3 etwa wöchentlich
3 3.000-15.000 mehr als 0.01 km3 etwa jährlich
4 10.000 - 25.000 mehr als 0.1 km3 etwa alle 10 - 100 Jahre
5 höher als 25.000 mehr als 1 km3 etwa alle 100 - 1.000 Jahre
6 höher als 25.000 mehr als 10 km3 etwa alle 100 - 1.000 Jahre
7 höher als 25.000 mehr als 100 km3 etwa alle 1.000 - 10.000 Jahre
8 höher als 25.000 mehr als 1.000 km3 etwa alle 10.000 Jahre und länger

* Tephra = pyroklastisches Material, also die festen Bestandteile

Ausbrüche der Stärke 6 und 7

  • Ambrym auf dem Südsee-Inselstaat Vanuatu (um 50 n.Chr.)
  • Taupo, Neuseeland (um 180 n.Chr.)
  • Baitoushan, Korea (um 1050 n.Chr.)
  • Krakatau in der Sundastraße zwischen Java und Sumatra in Indonesien (1883 n.Chr.)

Ausbrüche der Stärke 7

  • Kurile Lake auf der Halbinsel Kamtschatka im asiatischen Teil Russlands (um 5.700 v. Chr.)
  • Mount Mazama, Oregon/USA (um 4.895 v. Chr.)
  • Kikai, Kyushu/Japan (um 4.350 v. Chr.)
  • Santorin, Kykladen/Griechenland (1.628 v. Chr.)
  • Tambora auf Sumbawa einer der kleinen Sundainseln in Indonesien (1815)

Ausbrüche der Stärke 8

  • Toba, Sumatra (vor ca. 75.000 Jahren)
  • Vulkane im heutigen Yellowstone-Nationalpark in den US-Bundesstaaten Wyoming (96 %), Montana (3 %) und Idaho (1 %) (vor mehr als 100.000 Jahren)

 

Weitere Ausbrüche

  • Vesuv in Italien im Jahr 79 n.Chr.) (VEI = 5)
  • Mount St. Helens im US-Bundesstatt Washington im Jahr 1980 (VEI = 5)
  • Eldgja auf Island im Jahr 934 n.Chr.) (VEI = 5)

Eines der grössten Naturwunder der Erde: Der Dallol

Das Dallol-Gebiet ist bis heute wenig bekannt und gilt trotzdem als eines der grössten Naturwunder der Erde.
Es liegt in der Danakil-Wüste im Nordosten Äthiopiens in unmittelbarer Grenznähe zu Eritrea.

Vulkangebiet in der Danakil © goruma (S.Horn) 

Unangenehme Schwefeldämpfe erschweren das Atmen

Die Ausfallprodukte erhalten durch Schwefel und Kaliumsalze ihre charakteristischen Weiß-, Gelb- und Rotfärbungen

Pyroklastische Lawinen

Die pyroklastischen (nicht: pyroplastisch) Lawinen werden auch als pyroklastische Ströme bezeichnet. Man versteht darunter eine Dispersion aus kleineren festen und gasförmigen Anteilen, die nach der Eruption eines Vulkans die Vulkanhänge herunterrasen. Ihre Geschwindigkeit erreicht dabei mehrere hundert km, bei maximalen Temperaturen von nahezu 1.000° C. Sie entstehen vor allem dann, wenn nach einem Ausbruch eine Vukansäule, entsteht, die aus so zähem Magma besteht, dass es nicht als Lavastrom ausfließen konnte. Diese Zähigkeit kommt aufgrund aufgrund ihres hohen SiO2-Gehaltes zustande. Die dabei von dem heißen Magma zusammen mit den Gasen gebildete viele 100 m hohe, so genannte Plinianische Säule, kann dann, z.B. durch einen Abfall des Drucks im Inneren des Vulkan, zusammenfallen und anschließend als Gas-Gesteinsgemisch die Hänge herunterrasen und alles Leben in ihrem Bereich vernichten.
Die in der Wolke und dann in dem Strom befindlichen Teile, die kleiner als 2 mm sind werden als Asche bezeichnet und die mit einer Größe zwischen 2 und 64 mm als Lapilli. Der Begriff Plinianische Säule stammt von dem Römer "Plinius dem Jüngeren" (etwa 61-112), der in seinen Briefen an Tacitus als Augenzeuge den Ausbruch des Vesuvs im Jahr 79 n.Chr. und dabei auch die typische hohe Säule über dem Berggipfel beschrieb.
Ein typisches Beispiel für das Auftreten von pyroklastischen Strömen bildet neben dem Ausbruch des Vesuvs der Ausbruch des 915 m hohen Soufriere Hills auf der Karibikinsel Montserrat. Am 25. Juli 1997 kam es zu diesem besonders schweren Ausbruch mit einer folgenden pyroklastischen Lawine, bei dem die Hauptstadt Plymouth und der nationale Flughafen zerstört wurden. Und noch immer (Ende 2006) sind rund 2/3 der Insel Sperrgebiet und nur unter Lebensgefahr zu betreten, da immer wieder pyroklastische Ströme die Hänge herunter kommen. Es sei erwähnt, dass die Insel Montserrat zu den kleinen Antillen gehört und britisches Überseegebiet ist.

Schlammlawinen, Lahare

Auf  den Hängen vieler Vulkane befindet sich oft Eis und Schnee. Außerdem haben sich in den Kratern oft Seen gebildet. Bei einem Ausbruch eines derartigen Vulkans schmelzen der Schnee das Eis und vermischen sich mit den austretenden gasförmigen, flüssigen und kleinsten festen Teilchen zu einer Schlammmasse, die mit hohen Geschwindigkeiten zwischen 70 km/h und 110 km/h den Hang herunter rast.  Auf ihrem Weg ins Tal zerstören und begraben sie alles, was auf ihrem Weg liegt. Derartige Schlammlawinen werden als Lahare bezeichnet. Ein paar Beispiele für folgenschwere Lahare der jügsten Zeit:

Mount St. Helens/USA
Eine der bekanntesten Lahar trat beim eim Ausbruch des Mount St. Helens am 18. Mai 1980 im US-Bundesstaat Washington auf. vor dem Ausbruch hatte der Vulkan eine Höhe von 2.960 m, heutzutage nur noch von 2.549, da sein gesamter Gipfel infolge des explosiven Ausbruchs davonflog. Insgesamt kamen 57 Menschen infolge des Ausbruchs ums Leben.

Nevado del Ruiz/Kolumbien

Einer der folgenschwersten Schlammlawinen ereignete sich am 13. November 1985 beim Ausbruch des 5.389 m hohen Vulkans Nevado del Ruiz in Kolumbien. Die dadurch ausgelöste bis zu 5 m hohe Schlammlawine erreichte die rund 45 km entfernte Stadt Armero und tötete ca. fast 25.000 der rund 29.000 Einwohner der Stadt.

Mount Ruapehu/Neuseeland

Am 24. Dezember 1953 riss ein Lahar die Tangiwai- Eisenbahnbrücke hinweg. Die Schlammlawine war von dem 2.797 m hohen Mount Ruapehu abgegangen. Kurz darauf erreichte der Nachtzug von Wellington nach Auckland die eingestürzte Brücke und stürzte in die Schlammlawine, wodurch 151 Menschen ihr Leben verloren. 
Im März 2007 kam es erneut zu einem Lahar an diesem Vulkan, der aber keine Menschenleben kostete.

Vulkanasche, Eyjafjallajökull

Über die lokalen Wirkungen hinaus können die bei einem Vulkanausbruch freiwerdenden Gas- und Aschewolken zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Klimas und des Flugverkehrs führen. Große Aschemengen - besonders durch das darin enthaltene Schefeldioxid, können die Atmosphäre so stark beeinträchtigen, dass die Sonneneinstrahlung auf den Boden verringert wird und es zu merkbaren Temperatursenkungen kommen kann.
Aber eine größere Gefahr können derartige - nahezu unsichtbaren Aschewolken - besonders einige Tage nach einem Ausbruch für den Flugverkehr bedeuten. So wurde am 15. April 2010 infolge der gigantischen Aschewolke des etwa 1.6666 m hohen Strato-Vulkans Eyjafjallajökull auf Island, der sich in südöstlicher Richtung ausbreitete, der Luftraum über Island, Großbritannien, den Beneluxstaaten und mehreren skandinavischen Ländern komplett geschlossen und Flüge über den Atlantik wurden weiter nach Süden verlegt. In der Nacht zum 16. April wurde nach und nach auch der deutsche Luftraum geschlossen. Einen derartige Beeinträchtigung des Luftverkehrs hat es seit dem Ende des 2. Weltkriegs  bisher noch nicht gegeben. erst am 21. April wurde der Luftverkehr in Deutschland wieder uneingeschränkt freigegeben.

Nach Angaben der US Geological Survey  hat es zwischen 1983 und 2000 etwa hundert Fälle gegeben, in denen Flugzeuge in die Asche von Vulkanausbrüchen geraten sind, wobei ein großes Problem darin besteht, dass das Bordradar derartige Partikel nicht erkennen kann. So bleiben einige Tage nach einem Ausbruch nur noch die kleineren Teilchen mit Durchmesser von weniger als 10 μm (= 1/100 mm) bis zu 2 mm in der Atmosphäre übrig. Mit diesem Durchmesser sind sie kleiner als die Wassertröpfchen in den Wolken, die das Wetterradar erkennen kann. Nur über Satellitenaufnahmen oder Spezial- Lasersysteme lassen sie sich erkennbar machen. Etwa 45-70%  des Gewichts der Lava-haltigen Vulkanasche besteht aus Siliziumdioxid (SiO2) mit einem Schmelzpunkt von 1.713°C.
Die Triebwerke eines Flugzeugs sind die besonders gefährdeten Teile bei der Begegnung mit diesen Aschewolken. Die Vulkanasche-Teilchen können beim Durchfliegen in die Triebwerke der Düsenjets gelangen und damit zu einem Ausfall der Turbinen führen. Das geschieht u.a. dadurch, dass das Siliziumdioxid in den zwischen 1.400 bis 1.700°C heißen Turbinen scmilzt und sich an den kühleren Teilen als eine Art Glas niederschlägt.
Auf die Außenhaut des Flugzeugs  wirkt  die Vulkanasche wie eine Art von Schleifmittel, was dazu führt, dass der Auftrieb der Maschine verringert und das Flugzeug schwerer kontrollierbar wird. Außerdem können die Scheiben der Pilotenkanzel nahezu undurchsichtig werden. Dazu kommt, dass die Asche in die Frachträume und Kabinen geraten kann,  was zu einer Beeinträchtigung, wenn nicht sogar zum (zeitweiligen) Ausfall der Elektronik führen kann. Und nicht zuletzt befinden sich ätzende Substanzen in der Asche, die besonders in Verbindung mit Wasser zu chemischen Reaktionen führen können. So kann aus dem Schwedeldioxid in der Vulkanasche Schwefelsäure entstehen.
Bei dem Ausbruch des Laki auf Island im Jahr 1783 sollen fast 25% der Bevölkerung infolge der Gas- und Staubwolken in der Atemluft später verstorben sein. Außerdem sollte der Ausbruch nach Meinung einiger Wissenschaftler  z.B. in Frankreich zu Ernteausfällen und daraus resultierenden Hungersnöten geführt haben. Es wird vermutet, dass sogar die Französische Revolution davon mit beeinflusst wurde - was aber stark umstritten ist.

Einfluss auf das Klima
Eine Beeinflussung des globalen Klimas bei Vulkanausbrüchen ist vor allem durch den Schwefel - in Form von Schwefeldioxid (SO2) - in der Vulkan-Asche zu erwarten, der in der Atmosphäre zu Schwefelsäure-Ärosolen werden kann und dann das Sonnenlicht reflektiert. Es ist also weniger die Asche selber, als viel mehr dieser Anteil, der durchaus im einstelligen Prozentbereich liegen kann. Je höher daher der Schwefeldioxidanteil in einer Aschewolke ist, umso größer ist der Einfluss auf das Klima. So kam es bei dem Ausbruch des heute 1.488 m hohen Pinatubo, der auf Insel Luzon in den Philippinen liegt, im Jahr 1991 zu einem mittleren jährlichen Temperaturabfall von ca. 1°C. Beim gewaltigen Ausbruch des St. Helens in den USA dagegen war kaum ein globaler Einfluss auf das Klima festgestellt worden. Auch bei dem Ausbruch des Eyjafjallajökull auf Island ist nicht mit einem messbaren Temperaturabfall zu rechnen. 
Beim Ausbruch des Tambora im Jahr 1815 wurde die Asche bis in die Stratosphäre hoch geschleudert. Der Tambora ist ein Strato-Vulkan und liegt  auf der Insel Sumbawa - rund 1.230 km östlich von Jakarta auf Java. Kurz vor dem Ausbruch besaß der Vulkan eine Höhe von ca. 4.300 m, heute sind es nur noch 2.850 m. Infolge des Ausbruchs folgte in Nordamerika und Teilen Europas im Jahr 1816 das "Jahr ohne Sommer".
Durch den tagelangen Ausfall des Flugverkehrs fielen allerdings die zahlreichen Kondensstreifen am Himmel weg. Insofern wurde am Tag mehr Sonnenlicht durchgelassen, sodass es bis zu 1°C wärmer werden konnte. Nachts strahlte die Erde mehr Wärme ab und es konnte ca. 1°C kälter werden. Entscheidend für einen längerfristigen Einfluss auf das Klima ist aber, dass die Ascheteilchen über die Troposphäre hinaus in die Stratostosphäre gelangt sind, wo sie kaum noch den Einflüssen des Wetters ausgesetzt sind und deswegen dort erheblich länger verbleiben können.

Der Schrei
Beim Ausbruch des Krakatau am 27. August 1883 breitete sich die dabei hochgeschleuderte riesige Aschewolke auch nach Skandinavien aus. Der Krakatau bildet eine Vulkaninsel zwischen den indonesischen Inseln Sumatra und Java.
Da kurzwelliges Sonnenlicht (grün, blau, violett) erheblich stärker aus dem ankommenden Licht heraus gestreut wird als langwelliges (gelb, rot), erscheint die Sonne durch die Vulkanasche in der Atmosphäre besonders beim Sonnenuntergang in blutroten Komplementärfarben. Eine ausführliche Beschreibung dieses Phänomens finden Sie bei Goruma unter "Warum ist die Sonne rot?"
Als der norwegische Maler Edvard Munch (1863-1944) dieses Farbenspiel über einem Fjord beobachtet hatte, soll er ausgerufen haben: Welche Wolken aus Blut und Flammen ..." Die orange-rote Version des weltberühmten Bilds "Der Schrei" soll auf dieses Erlebnis zurückgehen. Insgesamt malte Munch zwischen 1892 und 1910 vier verschiedene Bilder mit dem Titel "Der Schrei" Ob sein Erlebnis bei dem ungewöhnlichen Sonnenuntergang tatsächlich eine der Motivationen für das Bild war, lässt sich nicht mehr beweisen - hübsch ist die Geschichte auf jeden Fall.

Zwei schwere Zwischenfälle mit Flugzeugen
Es gab in den 1980er Jahren zwei in der Zwischenzeit fast vergessene und besonders dramatische Zwischenfälle mit Flugzeugen, die fast zum Absturz der Maschinen geführt hätten.
Ein Jumbojet (Boeing 747-200) der British Airways (British-Airways-Flug 9) geriet am 24. Juni 1982 auf dem Weg von London nach Auckland/Neuseeland in rund 11.000 Meter Höhe in die Aschewolke des Vulkans Gunung Galunggung, der auf der indonesischen Insel Java liegt. Infolgedessen fielen nacheinander alle vier Triebwerke der Maschineaus. Erst nach über 15 Minuten "Segelflugs" auf einer Höhe von ca. 4.100 m gelang es den Piloten, die Turbinen wieder zu starten. Die Crew  konnte die Maschine danach wohlbehalten in Jakarta notlanden. Weil die Asche die Frontscheibe nahezu undurchsichtig gemacht hatte, mussten die Piloten ohne Sicht fliegen.
Und am 15. Dezember Jahr 1989 geriet ein Jumbojet (Boeing 747-400) der niederländischen Fluglinie KLM (KLM-Flug 867) auf dem Flug von Amsterdam nach Anchorage (US-Bundesstaat Alaska) in einer Höhe von ca. 8.500 m in die Aschewolke des Redoubt-Vulkans, der rund zehn Stunden zuvor ausgebrochen war. Dieser 3.109 m hohe Vulkan liegt auf Alska innerhalb der Aleutenkette - etwa 170 km südwestlich von der Hauptstadt Anchorage entfernt. Auch hier fielen alle vier Triebwerke aus und konnten erst nach einem Höhenverlust von ca. 3.000 m wieder gestartet werden, sodass die Maschine in Anchorage sicher landen konnte.

Grenzwerte der Vulkanasche für den Flugbetrieb

Bis zum Ausbruch des Eyjafjallajökull auf Island und den daraus resultierenden massiven Einschränkungen des Flugverkehrs gab es keinerlei verbindliche Grenzwerte für den Flugverkehr. Das hat sich mit Wirkung zum 04. Mai 2010 gändert: Auf ihrer Sondersitzung in Brüssel hatten die EU-Verkehrsminister drei Grenzwerte der Aschekonzentration für den zivilen Luftverkehr festgelegt. Beim Erreichen des folgenden Grenzwerts gilt ein totales Flugverbot:
2 mg und mehr Asche pro m³ Luft


Bei folgenden Grenzwerten darf nur unter besonderen Vorsichtmaßnahmen (Sichtflug, bestimmte Höhe) geflogen werden:

0,2 mg bis 2 mg Asche pro m³ Luft

Bei einer Asche-Konzentration unter 0,2 mg pro m³ Luft darf uneingeschränkt geflogen werden.

(1 mg= 10-3 g = 1/1.000 Gramm)

Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer Temperatur von  0°C und einem Luftdruck von 1 bar - also auf Meereshöhe - 1 m³ Luft rund 1,13 kg wiegt. In Flughöhen von z.B. 11 km sind das allerdings nur noch etwa 0,39 kg pro m³. 
Es wird angenommen, dass der Grenzwert  der CAA in den Staaten der EU und wahrscheinlich auch weltweit übernommen wird. Dann gibt es endlich klare Vorgaben, ab wann der Flugverkehr nach einem Vulkanausbruch in welchen Regionen und Höhen einzustellen ist - oder auch nicht.