Vorhersage vulkanischer Aktivität

Allgemeine Grundsätze der VulkanseismologieBearbeiten

• Seismische Aktivität (Erdbeben und Erschütterungen) tritt immer dann auf, wenn Vulkane erwachen und sich auf einen Ausbruch vorbereiten, und ist eine sehr wichtige Verbindung zu Eruptionen. Bei einigen Vulkanen ist die seismische Aktivität normalerweise anhaltend gering, aber eine Zunahme kann ein Zeichen für eine größere Wahrscheinlichkeit eines Ausbruchs sein. Die Art der auftretenden Erdbeben sowie ihr Beginn und ihr Ende sind ebenfalls wichtige Anzeichen. Es gibt drei Hauptformen vulkanischer Seismizität: kurzperiodische Erdbeben, langperiodische Erdbeben und harmonischer Tremor.
• Kurzperiodische Erdbeben sind wie normale Erdbeben, die durch Verwerfungen entstehen. Sie werden durch das Zerbrechen von sprödem Gestein verursacht, wenn Magma nach oben drängt. Diese kurzperiodischen Erdbeben sind ein Zeichen für das Wachstum eines Magmakörpers nahe der Oberfläche und werden als „A“-Wellen bezeichnet. Diese Art von seismischen Ereignissen wird oft auch als vulkanisch-tektonische (oder VT-) Ereignisse oder Erdbeben bezeichnet.
• Langperiodische Erdbeben deuten auf einen erhöhten Gasdruck im Leitungssystem eines Vulkans hin. Sie sind vergleichbar mit dem Klirren, das man manchmal in den Rohrleitungen eines Hauses hört und das als „Wasserschlag“ bekannt ist. Diese Schwingungen entsprechen den akustischen Vibrationen in einer Kammer, im Zusammenhang mit den Magmakammern innerhalb der Vulkankuppel, und werden als B-Wellen bezeichnet. Sie sind auch als Resonanzwellen und langperiodische Resonanzereignisse bekannt.
• Harmonische Erschütterungen sind oft das Ergebnis von Magma, das gegen das darüber liegende Gestein unter der Oberfläche drückt. Sie können manchmal so stark sein, dass sie von Menschen und Tieren als Brummen oder Summen wahrgenommen werden, daher der Name.

Die Muster der Seismizität sind komplex und oft schwer zu interpretieren; eine zunehmende seismische Aktivität ist jedoch ein guter Indikator für ein steigendes Eruptionsrisiko, insbesondere wenn langperiodische Ereignisse dominieren und Episoden von harmonischem Tremor auftreten.

Mit einer ähnlichen Methode können Forscher Vulkanausbrüche durch die Überwachung von Infraschall – nicht hörbarem Schall unter 20 Hz – erkennen. Das IMS Global Infrasound Network, das ursprünglich eingerichtet wurde, um die Einhaltung des Atomteststoppabkommens zu überprüfen, verfügt über 60 Stationen auf der ganzen Welt, die ausbrechende Vulkane aufspüren und lokalisieren.

Seismische FallstudienBearbeiten

Ein Zusammenhang zwischen langperiodischen Ereignissen und bevorstehenden Vulkanausbrüchen wurde erstmals in den seismischen Aufzeichnungen des Ausbruchs des Nevado del Ruiz in Kolumbien im Jahr 1985 beobachtet. Das Auftreten von langperiodischen Ereignissen wurde dann zur Vorhersage des Ausbruchs des Mount Redoubt in Alaska im Jahr 1989 und des Ausbruchs des Galeras in Kolumbien im Jahr 1993 genutzt. Im Dezember 2000 sagten Wissenschaftler des Nationalen Zentrums für die Verhütung von Katastrophen in Mexiko-Stadt einen Ausbruch des Popocatépetl am Stadtrand von Mexiko-Stadt innerhalb von zwei Tagen voraus. Ihre Vorhersage stützte sich auf Forschungsarbeiten von Bernard Chouet, einem Schweizer Vulkanologen, der beim United States Geological Survey tätig war und erstmals einen Zusammenhang zwischen langperiodischen Ereignissen und einer bevorstehenden Eruption festgestellt hatte. Die Regierung evakuierte Zehntausende von Menschen; 48 Stunden später brach der Vulkan wie vorhergesagt aus. Es war der größte Ausbruch des Popocatépetl seit tausend Jahren, doch niemand wurde verletzt.

EisbergbebenBearbeiten

Ähnlichkeiten zwischen Eisbergbeben, die auftreten, wenn sie auf Grund laufen, und vulkanischen Beben könnten Experten helfen, eine bessere Methode zur Vorhersage von Vulkanausbrüchen zu entwickeln. Obwohl Eisberge viel einfacher strukturiert sind als Vulkane, sind sie physikalisch leichter zu bearbeiten. Zu den Ähnlichkeiten zwischen Vulkan- und Eisbergbeben gehören lange Dauer und Amplituden sowie gemeinsame Frequenzverschiebungen.

GasemissionenBearbeiten

Gas- und Aschefahne beim Ausbruch des Mount Pinatubo, Philippinen.

Wenn sich das Magma der Oberfläche nähert und sein Druck abnimmt, entweichen Gase. Dieser Prozess ist vergleichbar mit dem, was passiert, wenn man eine Flasche mit Sprudel öffnet und Kohlendioxid entweicht. Schwefeldioxid ist einer der Hauptbestandteile vulkanischer Gase, und zunehmende Mengen davon kündigen an, dass sich immer mehr Magma der Oberfläche nähert. So wurde beispielsweise am 13. Mai 1991 eine zunehmende Menge an Schwefeldioxid vom Mount Pinatubo auf den Philippinen freigesetzt. Am 28. Mai, nur zwei Wochen später, waren die Schwefeldioxidemissionen auf 5.000 Tonnen angestiegen, das Zehnfache der früheren Menge. Der Berg Pinatubo brach am 12. Juni 1991 aus. Bei mehreren Gelegenheiten, wie z. B. vor dem Ausbruch des Mount Pinatubo und dem Ausbruch von Galeras, Kolumbien, im Jahr 1993, sind die Schwefeldioxidemissionen vor den Ausbrüchen auf ein niedriges Niveau gesunken. Die meisten Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser Rückgang der Gaskonzentration durch die Versiegelung der Gaspassagen durch verhärtetes Magma verursacht wird. Ein solches Ereignis führt zu einem erhöhten Druck im Leitungssystem des Vulkans und erhöht die Wahrscheinlichkeit einer explosiven Eruption. Ein Multikomponenten-Gasanalysesystem (Multi-GAS) ist ein Instrumentenpaket, mit dem hochauflösende Echtzeitmessungen von vulkanischen Gasfahnen durchgeführt werden können. Mit Multi-GAS-Messungen des CO2/SO2-Verhältnisses lässt sich die prä-eruptive Entgasung aufsteigender Magmen nachweisen, was die Vorhersage vulkanischer Aktivitäten verbessert.

BodenverformungBearbeiten

Das Anschwellen eines Vulkans signalisiert, dass sich Magma nahe der Oberfläche angesammelt hat. Wissenschaftler, die einen aktiven Vulkan beobachten, messen oft die Neigung des Hangs und verfolgen Veränderungen in der Schwellungsrate. Eine erhöhte Schwellungsrate, insbesondere wenn sie mit einem Anstieg der Schwefeldioxidemissionen und harmonischen Erschütterungen einhergeht, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Zeichen für ein bevorstehendes Ereignis. Die Verformung des Mount St. Helens vor dem Ausbruch am 18. Mai 1980 war ein klassisches Beispiel für eine Verformung, da sich die Nordseite des Vulkans nach oben wölbte, während sich darunter Magma ansammelte. Die meisten Fälle von Bodenverformungen lassen sich nur mit Hilfe hochentwickelter Geräte feststellen, die von Wissenschaftlern eingesetzt werden, aber sie können auf diese Weise dennoch künftige Ausbrüche vorhersagen. Die Vulkane auf Hawaii weisen erhebliche Bodenverformungen auf; es gibt eine Aufblähung des Bodens vor einem Ausbruch und dann eine deutliche Entleerung nach dem Ausbruch. Dies ist auf die flache Magmakammer der hawaiianischen Vulkane zurückzuführen; die Bewegung des Magmas ist am Boden darüber leicht zu erkennen.

Thermische ÜberwachungBearbeiten

Beide, Magmabewegung, Änderungen der Gasfreisetzung und hydrothermale Aktivität, können zu Änderungen des thermischen Emissionsvermögens an der Vulkanoberfläche führen. Diese können mit verschiedenen Techniken gemessen werden:

• Vorwärtsgerichtete Infrarot-Radiometrie (FLIR) mit Handgeräten, die vor Ort, in der Ferne oder aus der Luft installiert werden;
• Infrarotband-Satellitenbilder;
• In-situ-Thermometrie (heiße Quellen, Fumarolen)
• Wärmestromkarten
• Enthalpieveränderungen in geothermischen Brunnen

HydrologieBearbeiten

Es gibt 4 Hauptmethoden, die zur Vorhersage eines Vulkanausbruchs durch den Einsatz der Hydrologie verwendet werden können:

• Bohrloch- und Brunnenhydrologie- und -hydraulikmessungen werden zunehmend eingesetzt, um Veränderungen des Gasdrucks und des Wärmeregimes im Untergrund eines Vulkans zu überwachen. Erhöhter Gasdruck lässt den Wasserstand steigen und kurz vor einem Ausbruch plötzlich fallen, und thermische Fokussierung (erhöhter lokaler Wärmefluss) kann Grundwasserleiter reduzieren oder austrocknen.
• Erkennung von Laharen und anderen Murgängen in der Nähe ihrer Quellen. USGS-Wissenschaftler haben ein kostengünstiges, langlebiges, tragbares und leicht zu installierendes System entwickelt, um die Ankunft und den Durchgang von Murgängen und Überschwemmungen in Flusstälern, die aktive Vulkane entwässern, zu erkennen und kontinuierlich zu überwachen.
• Vor einem Ausbruch können Sedimente von einem den Vulkan umgebenden Flusskanal aufgenommen werden, die darauf hinweisen, dass der eigentliche Ausbruch kurz bevorsteht. Die meisten Sedimente werden aus vulkanisch gestörten Wassereinzugsgebieten in Zeiten starker Regenfälle transportiert. Dies kann ein Hinweis auf morphologische Veränderungen und erhöhte hydrothermale Aktivität sein, wenn keine instrumentellen Überwachungstechniken zur Verfügung stehen.
• Vulkanische Ablagerungen, die an einem Flussufer abgelagert werden, können leicht erodiert werden, was zu einer drastischen Verbreiterung oder Vertiefung des Flusskanals führt. Daher kann die Überwachung der Breite und Tiefe des Flusskanals dazu verwendet werden, die Wahrscheinlichkeit eines zukünftigen Vulkanausbruchs abzuschätzen.

FernerkundungBearbeiten

Fernerkundung ist die Erfassung elektromagnetischer Energie, die von der Oberfläche eines Vulkans oder von seinem Ausbruchsmaterial in einer Eruptionswolke absorbiert, reflektiert, abgestrahlt oder gestreut wird, durch die Sensoren eines Satelliten.

• ‚Wolkenerkundung: Wissenschaftler können die ungewöhnlich kalten Eruptionswolken von Vulkanen überwachen, indem sie Daten von zwei verschiedenen thermischen Wellenlängen verwenden, um die Sichtbarkeit von Eruptionswolken zu verbessern und sie von meteorologischen Wolken zu unterscheiden
• ‚Gaswahrnehmung: Schwefeldioxid kann auch durch Fernerkundung bei einigen der gleichen Wellenlängen wie Ozon gemessen werden. Total Ozone Mapping Spectrometers (TOMS) können die Menge des von Vulkanen bei Eruptionen freigesetzten Schwefeldioxids messen. Kohlendioxidemissionen von Vulkanen wurden im kurzwelligen Infrarot mit dem Orbiting Carbon Observatory 2 der NASA nachgewiesen.
• Thermische Erkennung: Das Vorhandensein neuer signifikanter thermischer Signaturen oder „heißer Flecken“ kann auf eine neue Erwärmung des Bodens vor einem Ausbruch hinweisen, einen laufenden Ausbruch darstellen oder das Vorhandensein einer sehr jungen vulkanischen Ablagerung, einschließlich Lavaströmen oder pyroklastischen Strömen, anzeigen.
• Deformationserfassung: Satellitengestützte räumliche Radardaten können verwendet werden, um langfristige geometrische Veränderungen des Vulkangebäudes, wie Hebungen und Senkungen, zu erkennen. Bei dieser Methode, dem interferometrischen Radar mit synthetischer Apertur (InSAR), werden aus Radarbildern generierte digitale Höhenmodelle voneinander subtrahiert, um ein differentielles Bild zu erhalten, das die Raten der topografischen Veränderungen anzeigt.
• Waldüberwachung: Kürzlich wurde gezeigt, dass die Lage eruptiver Brüche durch die Überwachung des Waldwachstums Monate bis Jahre vor den Ausbrüchen vorhergesagt werden kann. Dieses auf der Überwachung des Baumwachstums basierende Instrument wurde sowohl am Niyragongo als auch am Ätna während der Vulkanausbrüche 2002-2003 validiert.
• Infraschall-Sensorik: Ein relativ neuer Ansatz zur Erkennung von Vulkanausbrüchen ist die Verwendung von Infraschallsensoren aus dem Infraschallnetz des International Monitoring System (IMS). Bei dieser Erkennungsmethode werden Signale von mehreren Sensoren erfasst und durch Triangulation der Ort des Ausbruchs bestimmt.

Massenbewegungen und MassenausfälleBearbeiten

Bei der Überwachung von Massenbewegungen und Massenausfällen werden Techniken aus der Seismologie (Geophone), der Deformation und der Meteorologie eingesetzt. Erdrutsche, Felsstürze, pyroklastische Ströme und Schlammströme (Lahare) sind Beispiele für Massenausbrüche von vulkanischem Material vor, während und nach Eruptionen.

Der berühmteste vulkanische Erdrutsch war wahrscheinlich das Versagen einer Ausbuchtung, die sich vor der Eruption des Mt. St. Helens im Jahr 1980 aus eindringendem Magma gebildet hatte. Felsstürze treten häufig in Zeiten erhöhter Deformation auf und können ein Anzeichen für erhöhte Aktivität sein, wenn es keine instrumentelle Überwachung gibt. Schlammströme (Lahare) sind remobilisierte hydratisierte Ascheablagerungen aus pyroklastischen Strömen und Aschefallablagerungen, die sich auch in sehr flachen Winkeln mit hoher Geschwindigkeit hangabwärts bewegen. Aufgrund ihrer hohen Dichte sind sie in der Lage, große Objekte wie beladene Holzfällerfahrzeuge, Häuser, Brücken und Felsbrocken zu bewegen. Ihre Ablagerungen bilden in der Regel einen zweiten Ring von Schuttfächern um vulkanische Bauwerke, wobei der innere Fächer aus primären Ascheablagerungen besteht. Stromabwärts von der Ablagerung ihrer feinsten Ladung können Lahare durch das Restwasser immer noch eine Überschwemmungsgefahr darstellen. Es kann viele Monate dauern, bis die Lahar-Ablagerungen ausgetrocknet und begehbar sind. Die von Lahar-Aktivitäten ausgehenden Gefahren können noch mehrere Jahre nach einer großen explosiven Eruption bestehen.

Ein Team von US-Wissenschaftlern entwickelte eine Methode zur Vorhersage von Lahars. Ihre Methode wurde durch die Analyse von Gesteinen auf dem Mt. Rainier in Washington entwickelt. Das Warnsystem beruht auf der Beobachtung der Unterschiede zwischen frischem und älterem Gestein. Frisches Gestein ist ein schlechter Stromleiter und wird durch Wasser und Hitze hydrothermisch verändert. Kennt man also das Alter des Gesteins und damit seine Stärke, kann man den Weg eines Lahars vorhersagen. Am Mount Rainier wurde außerdem ein System akustischer Strömungsmonitore (Acoustic Flow Monitors, AFM) installiert, um Bodenerschütterungen zu analysieren, die zu einem Lahar führen könnten, und so eine frühere Warnung zu ermöglichen.