Vulkan
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Ein Vulkan ist ein Riss in der Kruste eines Objekts mit planetarer Masse, wie der Erde, durch den heiße Lava, Vulkanasche und Gase aus einer Magmakammer unter der Oberfläche austreten. ⓘ
Auf der Erde sind Vulkane meist dort zu finden, wo tektonische Platten divergieren oder konvergieren, und die meisten befinden sich unter Wasser. Ein mittelozeanischer Rücken, wie der Mittelatlantische Rücken, weist beispielsweise Vulkane auf, die durch divergierende tektonische Platten entstehen, während der Pazifische Feuerring Vulkane aufweist, die durch konvergierende tektonische Platten entstehen. Vulkane können auch dort entstehen, wo sich die Platten der Kruste dehnen und ausdünnen, wie im Ostafrikanischen Grabenbruch, im Wells-Gray-Clearwater-Vulkanfeld und im Rio-Grande-Graben in Nordamerika. Es wird angenommen, dass Vulkanismus abseits von Plattengrenzen durch aufsteigende Diapire an der Kern-Mantel-Grenze in 3.000 Kilometern Tiefe im Erdinneren entsteht. Dies führt zu Hotspot-Vulkanismus, wofür der hawaiianische Hotspot ein Beispiel ist. Vulkane entstehen normalerweise nicht dort, wo zwei tektonische Platten aneinander vorbeigleiten. ⓘ
Große Eruptionen können die Temperatur der Atmosphäre beeinflussen, da Asche und Schwefelsäuretröpfchen die Sonne verdecken und die Troposphäre der Erde abkühlen. In der Vergangenheit folgten auf große Vulkanausbrüche immer wieder vulkanische Winter, die katastrophale Hungersnöte verursachten. ⓘ
Ein Vulkan ist eine geologische Struktur, die entsteht, wenn Magma (Gesteinsschmelze) bis an die Oberfläche eines Planeten (z. B. der Erde) aufsteigt. Alle Begleiterscheinungen, die mit dem Aufstieg und Austritt der glutflüssigen Gesteinsschmelze verbunden sind, bezeichnet man als Vulkanismus. Bei einem Vulkanausbruch werden nicht nur glutflüssige, sondern auch feste und gasförmige Stoffe freigesetzt. ⓘ
Im Fall der Erde schmelzen Gesteine ab 100 km Tiefe bei Temperaturen zwischen 1000 und 1300 °C. Das flüssige Magma sammelt sich in großen Magmaherden in 2 bis 50 km Tiefe. Wenn der Druck zu groß wird, steigt das Magma über Spalten und Klüfte der Lithosphäre auf. Magma, das an die Erdoberfläche gelangt, wird als Lava bezeichnet. ⓘ
Die meisten Vulkane haben annähernd die Form eines Kegels, dessen Hangneigung von der Viskosität der Lava abhängt. Die Gestalt kann aber auch unregelmäßig oder kuppelförmig aufgewölbt sein. ⓘ
Etymologie
Das Wort Vulkan leitet sich vom Namen Vulcano ab, einer Vulkaninsel auf den Äolischen Inseln in Italien, deren Name wiederum von Vulkan, dem Gott des Feuers in der römischen Mythologie, stammt. Die Erforschung von Vulkanen wird als Vulkanologie bezeichnet, manchmal auch als Vulkanologie geschrieben. ⓘ
Plattentektonik
Nach der Theorie der Plattentektonik ist die Lithosphäre der Erde, ihre starre äußere Hülle, in sechzehn größere und mehrere kleinere Platten aufgeteilt. Diese befinden sich aufgrund der Konvektion im darunter liegenden duktilen Erdmantel in langsamer Bewegung, und die meisten vulkanischen Aktivitäten auf der Erde finden entlang der Plattengrenzen statt, wo die Platten konvergieren (und die Lithosphäre zerstört wird) oder divergieren (und neue Lithosphäre entsteht). ⓘ
Divergierende Plattengrenzen
Die geographische Verteilung kann man mit Hilfe der Erkenntnisse der Plattentektonik verstehen:
- Vulkane der Spreizungszonen liegen mit wenigen Ausnahmen auf dem Meeresgrund, wo die Erdplatten auseinanderdriften. Das dort vorkommende Magma ist basaltisch und verarmt an Elementen, die sich schlecht in Kristallgitter integrieren lassen (inkompatible Elemente). Hierzu gehören hauptsächlich rote Vulkane oder Schildvulkane.
- Vulkane über Subduktionszonen sind die sichtbarsten Vulkane. Sie treten bei Plattenkollisionen auf, an denen mindestens eine ozeanische Lithosphärenplatte beteiligt ist. Hier wird die ozeanische Kruste in den Mantel hinein befördert (subduziert), sofern ihre altersabhängige Dichte einen hinreichend hohen Wert erreicht hat. Die abtauchende ozeanische Kruste wird in der Tiefe teilweise aufgeschmolzen, da es aufgrund der hohen Wassergehalte in bestimmten Mineralen zu einer Erniedrigung der Solidus (Temperatur des Schmelzbeginns) kommt. Das entstandene Magma steigt auf, da es eine geringere Dichte hat als das umgebende Gestein, und nährt den Vulkanismus an der Oberfläche. Die entstehenden Vulkane werden aufgrund ihres lagigen Aufbaus als Schichtvulkane oder Stratovulkane bezeichnet.
- Vulkane über „Hotspots“ sind selten, da es weltweit zurzeit nur etwa 40 eindeutig bestimmte „Hotspots“ gibt. Ein „Hotspot“ ist ein über geologische Zeiträume als nahezu ortsfest anzusehender Aufschmelzungsbereich im Erdmantel unter der Lithosphäre. Die Lithosphärenplatten schieben sich durch plattentektonische Mechanismen während langer Zeiträume über einen „Hotspot“ hinweg. Es bilden sich perlenschnurartig hintereinander neue Vulkane, so als würden sie sich durch die Kruste hindurchschweißen. Bekanntestes Beispiel sind die Hawaii-Inseln: die größte Insel Hawaiʻi, die als jüngste Vulkaninsel über dem „Hotspot“ liegt, ist erst 400.000 Jahre alt, während die älteste der sechs Vulkaninseln Kauaʻi im Nordwesten bereits vor etwa 5,1 Millionen Jahren entstanden ist. Beispiele für diese seltene Art des Vulkanismus in Europa finden sich in der Ost- und Westeifel (Vulkaneifel), dem Siebengebirge und in der Auvergne. Auch unter Island befindet sich ein derartiger Hotspot. ⓘ
An den mittelozeanischen Rücken divergieren zwei tektonische Platten voneinander, wenn heißes Mantelgestein unter der ausgedünnten ozeanischen Kruste nach oben kriecht. Der Druckabfall im aufsteigenden Mantelgestein führt zu einer adiabatischen Ausdehnung und zum teilweisen Aufschmelzen des Gesteins, wodurch Vulkanismus entsteht und neue ozeanische Kruste gebildet wird. Die meisten divergierenden Plattengrenzen befinden sich auf dem Grund der Ozeane, so dass die meisten vulkanischen Aktivitäten auf der Erde submarin stattfinden und neue Meeresböden bilden. Schwarze Raucher (auch Tiefseeschlote genannt) sind ein Beweis für diese Art von vulkanischer Aktivität. Dort, wo der mittelozeanische Rücken über dem Meeresspiegel liegt, bilden sich vulkanische Inseln, wie zum Beispiel Island. ⓘ
Konvergente Plattengrenzen
Subduktionszonen sind Stellen, an denen zwei Platten, in der Regel eine ozeanische und eine kontinentale Platte, aufeinander stoßen. Die ozeanische Platte subduziert (taucht unter die kontinentale Platte) und bildet einen tiefen Ozeangraben direkt vor der Küste. In einem Prozess, der als Fluxmelting bezeichnet wird, senkt das von der subduzierenden Platte freigesetzte Wasser die Schmelztemperatur des darüber liegenden Mantelkeils, wodurch Magma entsteht. Dieses Magma ist aufgrund seines hohen Siliziumdioxidgehalts in der Regel extrem zähflüssig, so dass es oft nicht an die Oberfläche gelangt, sondern in der Tiefe abkühlt und erstarrt. Wenn es jedoch die Oberfläche erreicht, bildet sich ein Vulkan. Daher werden Subduktionszonen von Vulkanketten begrenzt, die als Vulkanbögen bezeichnet werden. Typische Beispiele sind die Vulkane im Pazifischen Feuerring, wie die Kaskadenvulkane oder der Japanische Archipel, oder der Sunda-Bogen in Indonesien. ⓘ
Hotspots
Hotspots sind vulkanische Gebiete, von denen man annimmt, dass sie durch Mantelplumes entstehen, d. h. durch Säulen aus heißem Material, die von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigen. Wie bei den mittelozeanischen Rücken kommt es bei dem aufsteigenden Mantelgestein zu einer Dekompressionsschmelze, die große Mengen an Magma erzeugt. Da sich tektonische Platten über Mantelplumes bewegen, wird jeder Vulkan inaktiv, wenn er vom Plume abdriftet, und neue Vulkane entstehen dort, wo die Platte über den Plume vorrückt. Man nimmt an, dass die Hawaii-Inseln auf diese Weise entstanden sind, ebenso wie die Snake River Plain, und die Yellowstone Caldera ist der Teil der nordamerikanischen Platte, der sich derzeit über dem Yellowstone-Hotspot befindet. Die Mantelplume-Hypothese wurde jedoch in Frage gestellt. ⓘ
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Kontinentales Rifting
Anhaltender Auftrieb von heißem Mantelgestein kann sich unter dem Inneren eines Kontinents entwickeln und zu Rifting führen. Frühe Stadien des Rifting sind durch Flutbasalte gekennzeichnet und können bis zu dem Punkt fortschreiten, an dem eine tektonische Platte vollständig gespalten wird. Zwischen den beiden Hälften der gespaltenen Platte entsteht dann eine divergente Plattengrenze. Häufig gelingt es jedoch nicht, die kontinentale Lithosphäre vollständig zu spalten (z. B. in einem Aulakogen), und gescheiterte Rifts sind durch Vulkane gekennzeichnet, die ungewöhnliche Alkalilava oder Karbonatite ausbrechen. Beispiele hierfür sind die Vulkane des Ostafrikanischen Grabens. ⓘ
Vulkanische Merkmale
Die gängigste Vorstellung von einem Vulkan ist die eines kegelförmigen Berges, der Lava und giftige Gase aus einem Krater auf seinem Gipfel ausspuckt; dies beschreibt jedoch nur eine der vielen Arten von Vulkanen. Die Merkmale von Vulkanen sind viel komplizierter, und ihre Struktur und ihr Verhalten hängen von einer Reihe von Faktoren ab. Einige Vulkane haben zerklüftete Gipfel, die von Lavadomen gebildet werden, anstatt einen Gipfelkrater zu haben, während andere Landschaftsmerkmale wie massive Plateaus aufweisen. Schlote, aus denen vulkanisches Material (einschließlich Lava und Asche) und Gase (hauptsächlich Dampf und magmatische Gase) austreten, können sich überall auf der Landform entwickeln und zu kleineren Kegeln führen, wie der Puʻu ʻŌʻō an einer Flanke des Kīlauea auf Hawaii. Andere Vulkantypen sind Kryovulkane (oder Eisvulkane), vor allem auf einigen Monden von Jupiter, Saturn und Neptun, und Schlammvulkane, bei denen es sich um Formationen handelt, die oft nicht mit bekannten magmatischen Aktivitäten in Verbindung gebracht werden. Bei aktiven Schlammvulkanen sind die Temperaturen in der Regel viel niedriger als bei Vulkanen aus Eruptivgestein, es sei denn, der Schlammvulkan ist tatsächlich ein Schlot eines Vulkans aus Eruptivgestein. ⓘ
Spaltvulkane
Vulkanische Spaltenschlote sind flache, lineare Brüche, durch die Lava austritt. ⓘ
Schildvulkane
Schildvulkane, so benannt nach ihrem breiten, schildartigen Profil, entstehen durch den Ausbruch von Lava mit geringer Viskosität, die über eine große Entfernung von einem Schlot fließen kann. Sie explodieren im Allgemeinen nicht katastrophal, sondern zeichnen sich durch relativ sanfte effusive Eruptionen aus. Da Magma mit geringer Viskosität in der Regel wenig Siliziumdioxid enthält, sind Schildvulkane eher in ozeanischen als in kontinentalen Gebieten anzutreffen. Die hawaiianische Vulkankette besteht aus einer Reihe von Schildvulkanen, und auch in Island sind sie weit verbreitet. ⓘ
Lavadome
Lavadome entstehen durch langsame Eruptionen von hochviskoser Lava. Sie bilden sich manchmal innerhalb des Kraters eines früheren Vulkanausbruchs, wie im Fall des Mount St. Helens, können aber auch unabhängig davon entstehen, wie im Fall des Lassen Peak. Wie Stratovulkane können sie heftige, explosive Eruptionen hervorrufen, aber die Lava fließt in der Regel nicht weit vom ursprünglichen Schlot weg. ⓘ
Kryptodome
Kryptodome entstehen, wenn zähflüssige Lava nach oben gedrückt wird und die Oberfläche ausbeult. Der Ausbruch des Mount St. Helens im Jahr 1980 war ein Beispiel dafür: Lava unter der Oberfläche des Berges bildete eine Ausbuchtung, die später an der Nordseite des Berges zusammenbrach. ⓘ
Schlackenkegel
Schlackenkegel entstehen durch Ausbrüche von meist kleinen Schlacken- und Pyroklastikstücken (beide ähneln Schlacken, daher der Name dieses Vulkantyps), die sich um den Schlot herum ansammeln. Dabei kann es sich um relativ kurzlebige Eruptionen handeln, die einen kegelförmigen Hügel mit einer Höhe von 30 bis 400 Metern bilden. Die meisten Schlackenkegel brechen nur einmal aus. Schlackenkegel können sich als Flankenschlote größerer Vulkane bilden oder eigenständig auftreten. Parícutin in Mexiko und Sunset Crater in Arizona sind Beispiele für Schlackenkegel. Caja del Rio in New Mexico ist ein vulkanisches Feld mit über 60 Schlackenkegeln. ⓘ
Anhand von Satellitenbildern wurde vermutet, dass Schlackenkegel auch auf anderen terrestrischen Körpern im Sonnensystem vorkommen könnten, nämlich auf der Oberfläche des Mars und des Mondes. ⓘ
Stratovulkane (zusammengesetzte Vulkane)
- Große Magmakammer
- Grundgestein
- Leitung (Rohr)
- Basis
- Schwelle
- Deich
- Vom Vulkan ausgestoßene Ascheschichten
- Flanke
- Vom Vulkan ausgestoßene Lavaschichten
- Kehle
- Parasitischer Kegel
- Lavastrom
- Schlot
- Krater
- Aschewolke ⓘ
Stratovulkane (zusammengesetzte Vulkane) sind hohe, kegelförmige Berge, die sich aus Lavaströmen und Tephra in abwechselnden Schichten zusammensetzen, den namensgebenden Schichten. Sie werden auch als zusammengesetzte Vulkane bezeichnet, weil sie aus mehreren Strukturen bei verschiedenen Ausbrüchen entstanden sind. Klassische Beispiele sind der Fuji in Japan, der Vulkan Mayon auf den Philippinen sowie der Vesuv und Stromboli in Italien. ⓘ
Die Asche, die bei explosiven Ausbrüchen von Stratovulkanen entsteht, stellte in der Vergangenheit die größte vulkanische Gefahr für die Zivilisation dar. Die Laven von Stratovulkanen enthalten mehr Siliziumdioxid und sind daher viel zähflüssiger als Laven von Schildvulkanen. Laven mit hohem Siliziumgehalt enthalten auch mehr gelöstes Gas. Diese Kombination ist tödlich, denn sie begünstigt explosive Ausbrüche, bei denen große Mengen an Asche entstehen, sowie pyroklastische Fluten wie die, die 1902 die Stadt Saint-Pierre auf Martinique zerstörte. Außerdem sind sie steiler als Schildvulkane, mit Neigungen von 30-35° im Vergleich zu Neigungen von 5-10° im Allgemeinen, und ihre lockere Tephra ist Material für gefährliche Lahare. Große Tephra-Stücke werden als vulkanische Bomben bezeichnet. Große Bomben können einen Durchmesser von mehr als 1,2 m (4 Fuß) haben und mehrere Tonnen wiegen. ⓘ
Supervulkane
Ein Supervulkan ist ein Vulkan, der einen oder mehrere Ausbrüche erlebt hat, bei denen in einem einzigen explosiven Ereignis mehr als 1.000 Kubikkilometer an vulkanischen Ablagerungen entstanden sind. Solche Ausbrüche entstehen, wenn eine sehr große Magmakammer mit gasreichem, kieselsäurehaltigem Magma in einer katastrophalen, calderabildenden Eruption geleert wird. Aschetuffe, die bei solchen Eruptionen entstehen, sind das einzige vulkanische Produkt, dessen Volumen mit dem von Flutbasalten mithalten kann. ⓘ
Ein Supervulkan kann Verwüstungen auf kontinentaler Ebene anrichten. Solche Vulkane sind in der Lage, aufgrund der riesigen Mengen an Schwefel und Asche, die in die Atmosphäre gelangen, die globale Temperatur noch viele Jahre nach dem Ausbruch stark abzukühlen. Sie sind die gefährlichste Art von Vulkanen. Beispiele sind die Yellowstone Caldera im Yellowstone National Park und die Valles Caldera in New Mexico (beide im Westen der USA), der Lake Taupō in Neuseeland, der Lake Toba auf Sumatra, Indonesien, und der Ngorongoro-Krater in Tansania. Glücklicherweise sind Supervulkanausbrüche sehr selten, obwohl sie aufgrund der enormen Fläche, die sie bedecken, und der anschließenden Verdeckung durch Vegetation und Gletscherablagerungen in den geologischen Aufzeichnungen ohne sorgfältige geologische Kartierung schwer zu identifizieren sind. ⓘ
Unterseeische Vulkane
Unterseeische Vulkane sind häufige Merkmale des Meeresbodens. Vulkanische Aktivität während des Holozäns wurde nur an 119 unterseeischen Vulkanen dokumentiert, aber es könnte mehr als eine Million geologisch junger unterseeischer Vulkane auf dem Meeresboden geben. Im flachen Wasser zeigen aktive Vulkane ihre Anwesenheit, indem sie Dampf und Gesteinstrümmer hoch über der Meeresoberfläche ausstoßen. In den tiefen Ozeanbecken verhindert das enorme Gewicht des Wassers die explosive Freisetzung von Dampf und Gasen; dennoch können unterseeische Eruptionen mit Hilfe von Hydrophonen und durch die Verfärbung des Wassers aufgrund vulkanischer Gase nachgewiesen werden. Pillow-Lava ist ein häufiges Eruptionsprodukt submariner Vulkane und zeichnet sich durch dicke Abfolgen diskontinuierlicher kissenförmiger Massen aus, die sich unter Wasser bilden. Selbst große submarine Eruptionen können die Meeresoberfläche nicht stören, da Wasser aufgrund der schnellen Abkühlung und des erhöhten Auftriebs (im Vergleich zu Luft) oft steile Säulen auf dem Meeresboden bildet. Hydrothermale Schlote sind in der Nähe dieser Vulkane häufig anzutreffen, und einige von ihnen beherbergen besondere Ökosysteme, die auf chemotrophen Organismen basieren, die sich von gelösten Mineralien ernähren. Im Laufe der Zeit können die von submarinen Vulkanen geschaffenen Formationen so groß werden, dass sie als neue Inseln oder schwimmende Bimssteinflöße die Meeresoberfläche durchbrechen. ⓘ
Im Mai und Juni 2018 wurden von Erdbebenüberwachungsbehörden auf der ganzen Welt eine Vielzahl seismischer Signale registriert. Es handelte sich um ungewöhnliche Brummtöne, und einige der im November desselben Jahres entdeckten Signale hatten eine Dauer von bis zu 20 Minuten. Eine ozeanografische Forschungskampagne im Mai 2019 ergab, dass die bisher rätselhaften Brummgeräusche durch die Bildung eines unterseeischen Vulkans vor der Küste von Mayotte verursacht wurden. ⓘ
Subglaziale Vulkane
Subglaziale Vulkane entstehen unter Eiskappen. Sie bestehen aus Lavaplateaus, die ausgedehnte Pillow Lavas und Palagonit überdecken. Diese Vulkane werden auch als Tafelberge, tuyas oder (in Island) mobergs bezeichnet. Sehr gute Beispiele für diese Art von Vulkanen gibt es in Island und in British Columbia. Der Begriff stammt von Tuya Butte, einem der vielen Tuyas im Gebiet des Tuya River und der Tuya Range im Norden von British Columbia. Tuya Butte war die erste derartige Landform, die untersucht wurde, und so ist ihr Name in die geologische Literatur für diese Art von vulkanischer Formation eingegangen. Der Tuya Mountains Provincial Park wurde kürzlich eingerichtet, um diese ungewöhnliche Landschaft zu schützen, die nördlich des Tuya Lake und südlich des Jennings River nahe der Grenze zum Yukon Territory liegt. ⓘ
Schlammvulkane
Schlammvulkane (Mud Domes) sind Formationen, die durch geoexkretierte Flüssigkeiten und Gase entstehen, wobei es mehrere Prozesse gibt, die eine solche Aktivität verursachen können. Die größten Strukturen haben einen Durchmesser von 10 km und erreichen eine Höhe von 700 m. ⓘ
Eruptiertes Material
Das Material, das bei einem Vulkanausbruch ausgestoßen wird, kann in drei Arten unterteilt werden:
- Vulkangase, ein Gemisch, das hauptsächlich aus Wasserdampf, Kohlendioxid und einer Schwefelverbindung besteht (je nach Temperatur entweder Schwefeldioxid, SO2, oder Schwefelwasserstoff, H2S)
- Lava, die Bezeichnung für Magma, wenn es austritt und über die Oberfläche fließt
- Tephra, Partikel aus festem Material in allen Formen und Größen, die durch die Luft geschleudert werden ⓘ
Vulkanische Gase
Die Konzentrationen der verschiedenen vulkanischen Gase können von Vulkan zu Vulkan sehr unterschiedlich sein. Wasserdampf ist in der Regel das am häufigsten vorkommende vulkanische Gas, gefolgt von Kohlendioxid und Schwefeldioxid. Weitere wichtige vulkanische Gase sind Schwefelwasserstoff, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff. In den vulkanischen Emissionen finden sich auch zahlreiche Neben- und Spurengase, z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Halogenkohlenwasserstoffe, organische Verbindungen und flüchtige Metallchloride. ⓘ
Lavaströme
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Zusammensetzung
Die Form und Art des Ausbruchs eines Vulkans wird weitgehend durch die Zusammensetzung der ausbrechenden Lava bestimmt. Die Viskosität (d. h. wie flüssig die Lava ist) und die Menge des gelösten Gases sind die wichtigsten Eigenschaften von Magma, und beide werden weitgehend durch den Kieselsäuregehalt des Magmas bestimmt. Magma, das viel Kieselsäure enthält, ist viel zähflüssiger als kieselsäurearmes Magma, und kieselsäurereiches Magma enthält in der Regel auch mehr gelöste Gase. ⓘ
Lava lässt sich grob in vier verschiedene Zusammensetzungen einteilen:
- Enthält das ausgebrochene Magma einen hohen Anteil (>63 %) an Kieselsäure, wird die Lava als felsisch bezeichnet. Felsische Laven (Dacite oder Rhyolithe) sind sehr zähflüssig und werden in Form von Kuppeln oder kurzen, stummeligen Strömen ausgebrochen. Der Lassen Peak in Kalifornien ist ein Beispiel für einen Vulkan, der aus felsischer Lava entstanden ist und eigentlich ein großer Lavadom ist. ⓘ
- Da felsische Magmen so zähflüssig sind, neigen sie dazu, vorhandene flüchtige Stoffe (Gase) einzuschließen, was zu explosivem Vulkanismus führt. Pyroklastische Ströme (Ignimbriten) sind äußerst gefährliche Produkte solcher Vulkane, da sie sich bei großen Ausbrüchen an den Vulkanhängen entlang bewegen und sich weit von ihren Schloten entfernen. Es ist bekannt, dass in pyroklastischen Strömen Temperaturen von bis zu 850 °C (1.560 °F) auftreten können, die alles Brennbare in ihrem Weg verbrennen, und es können sich dicke Schichten heißer pyroklastischer Ablagerungen ablagern, die oft viele Meter dick sind. Das Valley of Ten Thousand Smokes in Alaska, das durch den Ausbruch des Novarupta in der Nähe von Katmai im Jahr 1912 entstanden ist, ist ein Beispiel für eine dicke pyroklastische Masse oder eine Ignimbritablagerung. Vulkanische Asche, die leicht genug ist, um als Eruptionssäule hoch in die Erdatmosphäre aufzusteigen, kann Hunderte von Kilometern zurücklegen, bevor sie als Fallout-Tuff wieder auf den Boden fällt. Vulkanische Gase können jahrelang in der Stratosphäre verbleiben. ⓘ
- Felsische Magmen entstehen in der Kruste, in der Regel durch das Aufschmelzen von Krustengestein durch die Hitze der darunter liegenden mafischen Magmen. Das leichtere felsische Magma schwimmt ohne nennenswerte Vermischung auf dem mafischen Magma. Seltener werden felsische Magmen durch extreme fraktionierte Kristallisation von mafischen Magmen erzeugt. Bei diesem Prozess kristallisieren mafische Mineralien aus dem langsam abkühlenden Magma aus, wodurch die verbleibende Flüssigkeit mit Kieselsäure angereichert wird. ⓘ
- Enthält das ausgebrochene Magma 52-63 % Siliciumdioxid, so ist die Lava von mittlerer Zusammensetzung oder andesitisch. Intermediäre Magmen sind charakteristisch für Stratovulkane. Sie bilden sich am häufigsten an konvergenten Grenzen zwischen tektonischen Platten durch verschiedene Prozesse. Ein Prozess ist die Hydratationsschmelze von Mantelperidotit, gefolgt von fraktionierter Kristallisation. Wasser aus einer subduzierenden Platte steigt in den darüber liegenden Mantel auf und senkt dessen Schmelzpunkt, insbesondere bei den kieselsäurereichen Mineralien. Durch fraktionierte Kristallisation reichert sich das Magma weiter mit Kieselsäure an. Es wurde auch vermutet, dass Zwischenmagmen durch das Schmelzen von Sedimenten entstehen, die von der subduzierten Platte nach unten getragen werden. Ein weiterer Prozess ist die Vermischung von felsischen rhyolitischen und mafischen basaltischen Magmen in einem Zwischenlager vor der Einlagerung oder dem Lavastrom.
- Enthält das eruptierte Magma <52% und >45% Siliziumdioxid, wird die Lava als mafisch (weil sie höhere Anteile an Magnesium (Mg) und Eisen (Fe) enthält) oder basaltisch bezeichnet. Diese Laven sind in der Regel heißer und viel weniger zähflüssig als felsische Laven. Mafische Magmen entstehen durch teilweises Aufschmelzen des trockenen Erdmantels, mit begrenzter fraktionierter Kristallisation und Assimilation von Krustenmaterial. ⓘ
- Mafische Laven treten in einer Vielzahl von Gebieten auf. Dazu gehören mittelozeanische Rücken, Schildvulkane (wie die Hawaii-Inseln, einschließlich Mauna Loa und Kilauea), sowohl auf ozeanischer als auch auf kontinentaler Kruste, und kontinentale Flutbasalte. ⓘ
- Einige eruptierte Magmen enthalten ≤45 % Siliziumdioxid und erzeugen ultramafische Lava. Ultramafische Ströme, die auch als Komatiite bezeichnet werden, sind sehr selten; in der Tat sind seit dem Proterozoikum, als der Wärmefluss auf dem Planeten höher war, nur sehr wenige an der Erdoberfläche ausgebrochen. Sie sind (oder waren) die heißesten Laven und waren wahrscheinlich flüssiger als gewöhnliche mafische Laven, mit einer Viskosität, die weniger als ein Zehntel der von heißem Basaltmagma beträgt. ⓘ
Aus den vier Magmatypen entstehen charakteristische Gesteine:
Diese vier Typen können grob bestimmten geodynamischen Umfeldern zugeordnet werden:
- Aufschmelzen kontinentaler Kruste
- Subduktionszonen
- Mittelozeanischer Rücken, Hotspot-Vulkanismus, Rift-Vulkanismus
- heute nicht mehr auftretender Vulkanismus früher Phasen der Geogenese ⓘ
Textur der Lava
Mafische Lavaströme weisen zwei Arten von Oberflächentextur auf: ʻAʻa (ausgesprochen [ˈʔaʔa]) und pāhoehoe ([paːˈho.eˈho.e]), beides hawaiianische Wörter. ʻAʻa zeichnet sich durch eine raue, glitzernde Oberfläche aus und ist die typische Textur von kühleren Basaltlavaströmen. Pāhoehoe zeichnet sich durch eine glatte und oft seilartige oder faltige Oberfläche aus und wird im Allgemeinen von flüssigeren Lavaströmen gebildet. Manchmal wird beobachtet, dass Pāhoehoe-Ströme in ʻaʻa-Ströme übergehen, wenn sie sich vom Schlot entfernen, aber nie umgekehrt. ⓘ
Stärker kieselsäurehaltige Lavaströme haben die Form von Blocklava, bei der der Strom mit kantigen, blasenarmen Blöcken bedeckt ist. Rhyolitische Ströme bestehen in der Regel größtenteils aus Obsidian. ⓘ
Tephra
Tephra entsteht, wenn Magma im Inneren des Vulkans durch die rasche Ausdehnung heißer vulkanischer Gase gesprengt wird. Magma explodiert in der Regel, wenn das darin gelöste Gas bei abnehmendem Druck an die Oberfläche strömt. Bei diesen heftigen Explosionen entstehen Materialpartikel, die aus dem Vulkan herausfliegen können. Feste Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm (Sandgröße oder kleiner) werden als Vulkanasche bezeichnet. ⓘ
Tephra und andere Vulkankunststoffe (zerbrochenes vulkanisches Material) machen bei vielen Vulkanen einen größeren Teil des Volumens aus als Lavaströme. Vulkanklastik kann bis zu einem Drittel der gesamten Sedimentation in den geologischen Aufzeichnungen ausmachen. Die Produktion großer Mengen von Tephra ist charakteristisch für explosiven Vulkanismus. ⓘ
Arten von Vulkanausbrüchen
Die Eruptionsarten werden grob in magmatische, phreatomagmatische und phreatische Eruptionen unterteilt. ⓘ
Magmatische Eruptionen
Magmatische Eruptionen werden in erster Linie durch Gasfreisetzung aufgrund von Dekompression angetrieben. Magma mit geringer Viskosität und wenig gelöstem Gas erzeugt relativ sanfte effusive Eruptionen. Magma mit hoher Viskosität und einem hohen Gehalt an gelöstem Gas führt zu heftigen explosiven Eruptionen. Die Bandbreite der beobachteten Eruptionsformen lässt sich an historischen Beispielen ablesen. ⓘ
Die hawaiianischen Eruptionen sind typisch für Vulkane, die mafische Lava mit einem relativ geringen Gasgehalt ausbrechen. Sie sind fast ausschließlich effusiv und erzeugen lokale Feuerfontänen und sehr flüssige Lavaströme, aber relativ wenig Tephra. Sie sind nach den hawaiianischen Vulkanen benannt. ⓘ
Strombolianische Eruptionen zeichnen sich durch mäßige Viskosität und einen hohen Gehalt an gelösten Gasen aus. Sie zeichnen sich durch häufige, aber kurzlebige Eruptionen aus, die Hunderte von Metern hohe Eruptionssäulen erzeugen können. Ihr Hauptprodukt ist Schlacke. Sie sind nach Stromboli benannt. ⓘ
Vulkanische Eruptionen zeichnen sich durch eine noch höhere Viskosität und eine teilweise Kristallisation des Magmas aus, das oft eine mittlere Zusammensetzung aufweist. Die Eruptionen haben die Form von kurzlebigen Explosionen über mehrere Stunden, die eine zentrale Kuppel zerstören und große Lavabrocken und -bomben auswerfen. Darauf folgt eine Ergussphase, in der die zentrale Kuppel wieder aufgebaut wird. Vulkanische Eruptionen sind nach Vulcano benannt. ⓘ
Die peläischen Eruptionen sind noch heftiger und zeichnen sich durch das Wachstum und den Zusammenbruch der Kuppel aus, wobei verschiedene Arten von pyroklastischen Strömen entstehen. Sie sind nach dem Berg Pelée benannt. ⓘ
Plinianische Eruptionen sind die heftigsten aller Vulkanausbrüche. Sie sind durch anhaltende riesige Eruptionssäulen gekennzeichnet, deren Zusammenbruch katastrophale pyroklastische Ströme erzeugt. Sie sind nach Plinius dem Jüngeren benannt, der über den plinianischen Ausbruch des Vesuvs im Jahr 79 n. Chr. berichtete. ⓘ
Die Intensität des explosiven Vulkanismus wird mit dem Volcanic Explosivity Index (VEI) angegeben, der von 0 für hawaiianische Eruptionen bis 8 für Supervulkanausbrüche reicht. ⓘ
Phreatomagmatische Eruptionen
Phreatomagmatische Eruptionen sind durch die Wechselwirkung von aufsteigendem Magma mit Grundwasser gekennzeichnet. Sie werden durch den daraus resultierenden raschen Druckanstieg im überhitzten Grundwasser angetrieben. ⓘ
Phreatische Eruptionen
Phreatische Eruptionen sind durch eine Überhitzung des Grundwassers gekennzeichnet, das mit heißem Gestein oder Magma in Berührung kommt. Sie unterscheiden sich von phreatomagmatischen Eruptionen dadurch, dass das eruptierte Material ausschließlich aus Landgestein besteht; es wird kein Magma eruptiert. ⓘ
Vulkanische Aktivität
Es gibt heute weltweit ca. 1500 aktive, d. h. in den letzten 10.000 Jahren ausgebrochene Vulkane auf der Erdoberfläche, allerdings kennt man noch nicht die Anzahl der submarinen Vulkane, von denen es vermutlich vielfach mehr gibt. ⓘ
Davon sind 719 als Schichtvulkan, 176 als Schildvulkan, 66 als komplexer Vulkan, 86 als Caldera, 147 als einzelne Schlackenkegel, 27 als Spaltenvulkan oder Kraterreihe, 19 als Maar, 137 als submariner Vulkan und 100 als Vulkanfeld (mit teilweise mehreren hundert Einzelvulkanen) klassifiziert. ⓘ
Die Aktivität von Vulkanen ist sehr unterschiedlich, wobei die Häufigkeit der Ausbrüche einzelner Vulkansysteme von mehrmals pro Jahr bis zu einmal in Zehntausenden von Jahren reicht. Vulkane werden informell als aktiv, schlafend oder erloschen bezeichnet, aber diese Begriffe sind nur unzureichend definiert. ⓘ
Aktiv
Unter Vulkanologen gibt es keinen Konsens darüber, wie ein "aktiver" Vulkan zu definieren ist. Die Lebensdauer eines Vulkans kann von Monaten bis zu mehreren Millionen Jahren variieren, so dass eine solche Unterscheidung manchmal bedeutungslos ist, wenn man sie mit der Lebensdauer von Menschen oder sogar Zivilisationen vergleicht. Beispielsweise sind viele Vulkane der Erde in den letzten paar tausend Jahren Dutzende Male ausgebrochen, zeigen aber derzeit keine Anzeichen eines Ausbruchs. Angesichts der langen Lebensdauer solcher Vulkane sind sie sehr aktiv. Gemessen an der menschlichen Lebensspanne sind sie es jedoch nicht. ⓘ
Ruhend und reaktiviert
Es ist schwierig, einen erloschenen Vulkan von einem schlafenden (inaktiven) Vulkan zu unterscheiden. Schlafende Vulkane sind Vulkane, die seit Tausenden von Jahren nicht mehr ausgebrochen sind, aber wahrscheinlich in der Zukunft wieder ausbrechen werden. Vulkane gelten oft als erloschen, wenn es keine schriftlichen Aufzeichnungen über ihre Aktivität gibt. Dennoch kann es vorkommen, dass Vulkane über einen langen Zeitraum hinweg inaktiv bleiben. Der Yellowstone beispielsweise hat eine Ruhe-/Erneuerungszeit von etwa 700 000 Jahren, der Toba von etwa 380 000 Jahren. Der Vesuv wurde von römischen Schriftstellern so beschrieben, dass er vor seinem Ausbruch im Jahr 79 n. Chr., bei dem die Städte Herculaneum und Pompeji zerstört wurden, mit Gärten und Weinbergen bedeckt war. Vor seinem katastrophalen Ausbruch im Jahr 1991 war der Pinatubo ein unscheinbarer Vulkan, der den meisten Menschen in der Umgebung unbekannt war. Zwei weitere Beispiele sind der lange schlafende Vulkan Soufrière Hills auf der Insel Montserrat, der als erloschen galt, bevor er 1995 wieder aktiv wurde (und seine Hauptstadt Plymouth in eine Geisterstadt verwandelte), und der Fourpeaked Mountain in Alaska, der vor seinem Ausbruch im September 2006 seit 8000 v. Chr. nicht mehr ausgebrochen war und lange Zeit als erloschen galt. ⓘ
In einem Artikel, in dem die Neueinstufung des Vulkans Mount Edgecumbe in Alaska von "schlafend" in "aktiv" begründet wird, weisen Vulkanologen des Alaska Volcano Observatory darauf hin, dass der Begriff "schlafend" in Bezug auf Vulkane in den letzten Jahrzehnten veraltet ist und dass "der Begriff "schlafender Vulkan" in der modernen Vulkanologie so wenig verwendet und undefiniert ist, dass er in der Enzyklopädie der Vulkane (2000) weder in den Glossaren noch im Index enthalten ist". ⓘ
Erloschen
Erloschene Vulkane sind Vulkane, bei denen Wissenschaftler es für unwahrscheinlich halten, dass sie wieder ausbrechen, weil der Vulkan keine Magmavorräte mehr hat. Beispiele für erloschene Vulkane sind viele Vulkane auf der Hawaii-Emperor-Seamount-Kette im Pazifischen Ozean (obwohl einige Vulkane am östlichen Ende der Kette aktiv sind), der Hohentwiel in Deutschland, Shiprock in New Mexico, USA, Capulin in New Mexico, USA, der Vulkan Zuidwal in den Niederlanden und viele Vulkane in Italien wie der Monte Vulture. Das Edinburgh Castle in Schottland befindet sich auf einem erloschenen Vulkan, der den Castle Rock bildet. Ob ein Vulkan wirklich erloschen ist, lässt sich oft nur schwer feststellen. Da die Lebensdauer von Supervulkanen manchmal in Millionen von Jahren gemessen wird, kann eine Caldera, die seit Zehntausenden von Jahren nicht mehr ausgebrochen ist, als schlafend und nicht als erloschen betrachtet werden. ⓘ
Vulkanische Alarmstufe
Die drei gängigen Klassifizierungen von Vulkanen können subjektiv sein, und einige Vulkane, die als erloschen galten, sind wieder ausgebrochen. Um zu verhindern, dass die Menschen fälschlicherweise glauben, sie seien nicht gefährdet, wenn sie auf oder in der Nähe eines Vulkans leben, haben die Länder neue Klassifizierungen eingeführt, um die verschiedenen Stufen und Stadien der vulkanischen Aktivität zu beschreiben. Einige Warnsysteme verwenden verschiedene Zahlen oder Farben zur Kennzeichnung der verschiedenen Stufen. Andere Systeme verwenden Farben und Wörter. Einige Systeme verwenden eine Kombination aus beidem. ⓘ
Vulkanwarnsysteme in den Vereinigten Staaten
Der United States Geological Survey (USGS) hat ein landesweit einheitliches System zur Kennzeichnung des Ausmaßes von Unruhen und eruptiver Aktivität an Vulkanen eingeführt. Das neue System der Vulkanwarnstufen klassifiziert Vulkane nun als normal, beratend, beobachtend oder warnend. Zusätzlich werden Farben verwendet, um die Menge der produzierten Asche zu kennzeichnen. ⓘ
Vulkane der Dekade
Bei den Dekadenvulkanen handelt es sich um 16 Vulkane, die von der Internationalen Vereinigung für Vulkanologie und Chemie des Erdinneren (IAVCEI) als besonders untersuchungswürdig eingestuft wurden, da sie in der Vergangenheit immer wieder große, zerstörerische Ausbrüche hatten und sich in der Nähe von bewohnten Gebieten befinden. Sie werden als Dekadenvulkane bezeichnet, weil das Projekt im Rahmen der von den Vereinten Nationen geförderten Internationalen Dekade zur Verringerung von Naturkatastrophen (1990er Jahre) initiiert wurde. Die 16 aktuellen Dekadenvulkane sind:
- Avachinsky-Koryaksky (in Gruppen), Kamtschatka, Russland
- Nevado de Colima, Jalisco und Colima, Mexiko
- Ätna, Sizilien, Italien
- Galeras, Nariño, Kolumbien
- Mauna Loa, Hawaii, USA
- Berg Merapi, Zentral-Java, Indonesien
- Berg Nyiragongo, Demokratische Republik Kongo
- Mount Rainier, Washington, USA
- Sakurajima, Präfektur Kagoshima, Japan
- Santa Maria/Santiaguito, Guatemala
- Santorin, Kykladen, Griechenland
- Taal-Vulkan, Luzon, Philippinen
- Teide, Kanarische Inseln, Spanien
- Ulawun, Neubritannien, Papua-Neuguinea
- Berg Unzen, Präfektur Nagasaki, Japan
- Vesuv, Neapel, Italien ⓘ
Das Deep Earth Carbon Degassing Project, eine Initiative des Deep Carbon Observatory, überwacht neun Vulkane, von denen zwei Dekadenvulkane sind. Der Schwerpunkt des Deep Earth Carbon Degassing Project liegt auf dem Einsatz von Multi-Component Gas Analyzer System-Instrumenten zur Messung des CO2/SO2-Verhältnisses in Echtzeit und in hoher Auflösung, um die prä-eruptive Entgasung aufsteigender Magmen zu erkennen und so die Vorhersage vulkanischer Aktivitäten zu verbessern. ⓘ
Vulkane und Menschen
Vulkanausbrüche stellen eine erhebliche Bedrohung für die menschliche Zivilisation dar. Vulkanische Aktivitäten haben der Menschheit jedoch auch wichtige Ressourcen beschert. ⓘ
Gefahren
Es gibt viele verschiedene Arten von Vulkanausbrüchen und damit verbundenen Aktivitäten: phreatische Eruptionen (dampfgetriebene Eruptionen), explosive Eruptionen von Lava mit hohem Siliziumgehalt (z. B. Rhyolith), effusive Eruptionen von Lava mit niedrigem Siliziumgehalt (z. B. Basalt), pyroklastische Ströme, Lahare (Schuttströme) und Kohlendioxidausstoß. Alle diese Aktivitäten können eine Gefahr für den Menschen darstellen. Erdbeben, heiße Quellen, Fumarolen, Schlammtöpfe und Geysire sind häufig Begleiterscheinungen vulkanischer Aktivität. ⓘ
Vulkangase können in die Stratosphäre gelangen, wo sie Schwefelsäureaerosole bilden, die die Sonnenstrahlung reflektieren und die Oberflächentemperaturen erheblich senken können. Schwefeldioxid aus dem Ausbruch des Huaynaputina könnte die russische Hungersnot von 1601-1603 verursacht haben. Chemische Reaktionen von Sulfataerosolen in der Stratosphäre können auch die Ozonschicht schädigen, und Säuren wie Chlorwasserstoff (HCl) und Fluorwasserstoff (HF) können als saurer Regen auf den Boden fallen. Explosive Vulkanausbrüche setzen das Treibhausgas Kohlendioxid frei und stellen somit eine tiefe Kohlenstoffquelle für biogeochemische Kreisläufe dar. ⓘ
Asche, die durch Eruptionen in die Luft geschleudert wird, kann eine Gefahr für Flugzeuge darstellen, insbesondere für Düsenflugzeuge, bei denen die Partikel durch die hohen Betriebstemperaturen geschmolzen werden können; die geschmolzenen Partikel bleiben dann an den Turbinenschaufeln haften und verändern deren Form, wodurch der Betrieb der Turbine gestört wird. Dies kann zu erheblichen Beeinträchtigungen des Flugverkehrs führen. ⓘ
Man geht davon aus, dass vor etwa 70 000 Jahren nach dem Ausbruch des Toba-Sees auf der Insel Sumatra in Indonesien ein vulkanischer Winter stattfand, der möglicherweise einen Engpass in der Bevölkerung verursachte, der sich auf das genetische Erbe aller heutigen Menschen auswirkte. Vulkanausbrüche können zu großen Aussterbeereignissen wie dem Massenaussterben im End-Ordovizium, der Perm-Trias und dem späten Devon beigetragen haben. ⓘ
Der Ausbruch des Mount Tambora im Jahr 1815 führte zu globalen Klimaanomalien, die aufgrund der Auswirkungen auf das nordamerikanische und europäische Wetter als "Jahr ohne Sommer" bekannt wurden. Der eisige Winter von 1740-41, der zu einer weit verbreiteten Hungersnot in Nordeuropa führte, könnte ebenfalls auf einen Vulkanausbruch zurückzuführen sein. ⓘ
Vorteile
Obwohl Vulkanausbrüche erhebliche Gefahren für den Menschen mit sich bringen, hat die vulkanische Aktivität in der Vergangenheit auch wichtige wirtschaftliche Ressourcen geschaffen. ⓘ
Vulkanische Asche und verwitterter Basalt liefern einige der fruchtbarsten Böden der Welt, die reich an Nährstoffen wie Eisen, Magnesium, Kalium, Kalzium und Phosphor sind. ⓘ
Tuffstein aus Vulkanasche ist ein relativ weiches Gestein, das schon in der Antike für Bauzwecke verwendet wurde. Die Römer verwendeten Tuffstein, der in Italien reichlich vorhanden ist, häufig für Bauzwecke. Das Volk der Rapa Nui verwendete Tuffstein zur Herstellung der meisten Moai-Statuen auf der Osterinsel. ⓘ
Durch vulkanische Aktivität werden wertvolle Bodenschätze, wie z. B. Metallerze, abgelagert. ⓘ
Vulkanische Aktivität geht mit hohen Wärmeströmen aus dem Erdinneren einher. Diese können als geothermische Energie angezapft werden. ⓘ
Vulkane auf anderen Himmelskörpern
Auf dem Erdmond gibt es keine großen Vulkane und keine aktuelle vulkanische Aktivität, obwohl neuere Erkenntnisse darauf hindeuten, dass der Mond noch einen teilweise geschmolzenen Kern besitzt. Der Mond weist jedoch viele vulkanische Merkmale wie Marias (die dunkleren Flecken auf dem Mond), Rillen und Kuppeln auf. ⓘ
Die Oberfläche des Planeten Venus besteht zu 90 % aus Basalt, was darauf hindeutet, dass der Vulkanismus eine wichtige Rolle bei der Gestaltung seiner Oberfläche gespielt hat. Der Planet könnte vor etwa 500 Millionen Jahren ein großes globales Auftauchen erlebt haben, wie die Wissenschaftler anhand der Dichte der Einschlagskrater auf der Oberfläche feststellen können. Lavaströme sind weit verbreitet, und es gibt auch Formen von Vulkanismus, die auf der Erde nicht vorkommen. Veränderungen in der Atmosphäre des Planeten und die Beobachtung von Blitzen werden auf laufende Vulkanausbrüche zurückgeführt, obwohl es keine Bestätigung dafür gibt, ob die Venus noch vulkanisch aktiv ist oder nicht. Radarsondierungen der Magellan-Sonde ergaben jedoch Hinweise auf eine vergleichsweise junge vulkanische Aktivität am höchsten Vulkan der Venus, dem Maat Mons, in Form von Ascheströmen in Gipfelnähe und an der Nordflanke. Die Interpretation der Ströme als Ascheströme wurde jedoch in Frage gestellt. ⓘ
Auf dem Mars gibt es mehrere erloschene Vulkane, von denen vier riesige Schildvulkane sind, die weit größer als alle anderen auf der Erde sind. Dazu gehören Arsia Mons, Ascraeus Mons, Hecates Tholus, Olympus Mons und Pavonis Mons. Diese Vulkane sind seit vielen Millionen Jahren erloschen, aber die europäische Raumsonde Mars Express hat Beweise dafür gefunden, dass auch in der jüngeren Vergangenheit vulkanische Aktivitäten auf dem Mars stattgefunden haben könnten. ⓘ
Der Jupitermond Io ist aufgrund der Gezeitenwechselwirkung mit Jupiter das vulkanisch aktivste Objekt im Sonnensystem. Er ist mit Vulkanen bedeckt, die Schwefel, Schwefeldioxid und Silikatgestein ausstoßen, was zur Folge hat, dass Io ständig neu auftaucht. Seine Laven sind mit Temperaturen von über 1.800 K (1.500 °C) die heißesten im gesamten Sonnensystem. Im Februar 2001 ereigneten sich auf Io die größten bekannten Vulkanausbrüche im Sonnensystem. Europa, der kleinste der Galileischen Monde des Jupiters, scheint ebenfalls über ein aktives Vulkansystem zu verfügen, nur dass seine vulkanische Aktivität ausschließlich in Form von Wasser stattfindet, das auf der kalten Oberfläche zu Eis gefriert. Dieser Prozess wird als Kryovulkanismus bezeichnet und ist offenbar auf den Monden der äußeren Planeten des Sonnensystems am häufigsten anzutreffen. ⓘ
Im Jahr 1989 beobachtete die Raumsonde Voyager 2 Kryovulkane (Eisvulkane) auf dem Neptunmond Triton, und 2005 fotografierte die Sonde Cassini-Huygens Fontänen gefrorener Partikel, die auf dem Saturnmond Enceladus ausbrachen. Die Auswürfe können aus Wasser, flüssigem Stickstoff, Ammoniak, Staub oder Methanverbindungen bestehen. Cassini-Huygens fand auch auf dem Saturnmond Titan Hinweise auf einen Methan speienden Kryovulkan, der vermutlich eine wichtige Quelle für das Methan in seiner Atmosphäre ist. Es wird vermutet, dass Kryovulkanismus auch auf dem Kuiper-Gürtel-Objekt Quaoar vorkommen könnte. ⓘ
Eine Studie aus dem Jahr 2010 über den Exoplaneten COROT-7b, der 2009 im Transit entdeckt wurde, legt nahe, dass die Gezeitenerwärmung des Wirtssterns in unmittelbarer Nähe des Planeten und der benachbarten Planeten intensive vulkanische Aktivitäten auslösen könnte, ähnlich wie auf Io. ⓘ
Vulkanismus ist ein für terrestrische Himmelskörper normales Phänomen. Auf vielen Welten des Sonnensystems finden sich Spuren erloschenen Vulkanismus, wie beispielsweise auf dem Erdmond oder dem Mars. Vulkanisch aktivste Welt des Sonnensystems ist der Jupitermond Io. Auf dem Saturnmond Enceladus wie auch dem Neptunmond Triton wurde Kryovulkanismus beobachtet. ⓘ
Dagegen finden sich auf der in Masse, Größe und innerem Aufbau sehr erdähnlichen Venus nur wenige Hinweise für derzeit aktiven Vulkanismus und keinerlei Anzeichen für eine Plattentektonik. ⓘ
Geschichte der Vulkanologie
In vielen antiken Berichten werden Vulkanausbrüche auf übernatürliche Ursachen zurückgeführt, etwa auf das Wirken von Göttern oder Halbgöttern. Für die alten Griechen konnte die kapriziöse Kraft der Vulkane nur mit dem Wirken der Götter erklärt werden, während der deutsche Astronom Johannes Kepler im 16. und 17. Eine frühe Gegenidee stammt von dem Jesuiten Athanasius Kircher (1602-1680), der die Ausbrüche des Ätna und des Stromboli beobachtete, dann den Krater des Vesuvs besuchte und seine Vorstellung von einer Erde mit einem zentralen Feuer, das mit zahlreichen anderen verbunden ist, die durch die Verbrennung von Schwefel, Bitumen und Kohle entstehen, veröffentlichte. ⓘ
Für das Verhalten der Vulkane wurden verschiedene Erklärungen vorgeschlagen, bevor das moderne Verständnis der Struktur des Erdmantels als halbfestes Material entwickelt wurde. Jahrzehntelang, nachdem man erkannt hatte, dass Verdichtung und radioaktives Material Wärmequellen sein können, wurde ihr Beitrag ausdrücklich abgelehnt. Vulkanische Aktivitäten wurden häufig auf chemische Reaktionen und eine dünne Schicht geschmolzenen Gesteins nahe der Oberfläche zurückgeführt. ⓘ
Lavatypen
Vulkane können auch anderweitig klassifiziert werden, indem sie nach der Farbe der austretenden Lava beschrieben werden. ⓘ
Die Farbe der austretenden Lava hängt von der Temperatur ab, kann aber auch auf die chemische Zusammensetzung der Gesteinsschmelze zurückgeführt werden. Die entstehende Form des Vulkans als auch das Ausbruchsverhalten werden von der Zusammensetzung der Gesteinsschmelze entscheidend bestimmt:
- Rote Vulkane werden aufgrund der rot oder orangegelb glühenden, heißen Lava so bezeichnet, sie bilden Schildvulkane.
- Graue Vulkane besitzen eine vergleichsweise niedrige Lavatemperatur und bilden Schichtvulkane. ⓘ
Maßgeblich von Vulkanen ausgelöste Ereignisse
Bei der Eruption von Vulkanen können durch Vermischung vulkanischen Materials mit anderen Stoffen wie Wasser oder Luft sowie durch das abrupte Austreten von Lava weitere Prozesse ausgelöst werden. Dazu zählen unter anderem:
- Lahar (Schlamm- und Schuttströme)
- Pyroklastische Ströme (Glutlawine)
- Base Surge (partikelarmer Dichtestrom)
- Glutwolke
- Gletscherlauf
- Tsunami: Wenn bei einem Vulkanausbruch große Mengen Magma oder gar Teile der Bergflanken ins Meer stürzen, können Tsunamis ausgelöst werden. Dabei erreichen diese oft größere Höhen als die durch Seebeben erzeugten Tsunamis. ⓘ
Auch können Erdbeben vor oder nach dem Ausbruch eines Vulkans auftreten, da sie sich gegenseitig beeinflussen können. ⓘ
Nicht dem Vulkanismus sind andere aufsteigende Materialien zuzurechnen, die etwa für die sogenannten Schlammvulkane (besser als Schlammdiapire bezeichnet) verantwortlich sind. ⓘ
Vorhersage von Vulkanausbrüchen
Ob ein Vulkan endgültig erloschen ist oder vielleicht wieder aktiv werden kann, interessiert besonders die Menschen, die in der Umgebung eines Vulkans leben. In jedem Fall hat ein Vulkanausbruch weitreichende Konsequenzen, denn über das persönliche Schicksal hinaus werden Infrastruktur und Wirtschaft der betroffenen Region nachhaltig beeinflusst. Daher ist es das vorrangige Forschungsziel, Vulkanausbrüche möglichst präzise vorhersagen zu können. Fehlprognosen wären allein unter Kostengesichtspunkten verheerend (Evakuierung Tausender von Menschen, Stilllegung des gesamten Wirtschaftslebens u. v. m.). ⓘ
Trotz gewisser Gemeinsamkeiten gleicht kein Vulkan in seinem Ausbruchsverhalten dem anderen. Demnach sind Beobachtungen über Ruhephasen oder seismische Aktivitäten eines Vulkans kaum auf einen anderen übertragbar. ⓘ
Bei der Überwachung von Vulkanen stehen generell fünf Überwachungsmethoden zur Verfügung, die je nach Vulkan-Charakteristik in unterschiedlicher Kombination eingesetzt werden: die Aufzeichnung seismischer Aktivität, die geodätische Überwachung der Topographie, die Messung gravimetrischer und magnetometrischer Veränderungen, die Erfassung von oberflächennahen Temperaturerhöhungen und die chemische Analyse aufsteigender vulkanischer Gase. ⓘ
Aufzeichnung seismischer Aktivität, vulkanischer Tremor
Ein Eruptionsprozess wird zunächst vom Aufstieg des Magmas eingeleitet. Wenn das Magma auf vorgezeichneten oder neuen Bruchlinien, Spalten oder Rissen zur Erdoberfläche emporsteigt, entstehen durch Spannungen im Umgebungsgestein und durch Entgasungsprozesse des Magmas charakteristische seismische Signale. Gestein zerbricht dabei und Risse beginnen zu vibrieren. Die Zerstörung von Gestein löst Erdbeben mit hoher Frequenz aus, die Bewegung der Risse dagegen führt zu niedrig frequenten Beben, dem sogenannten vulkanischen Tremor. ⓘ
Um Tiefe und Herd der vulkanischen Beben zu ermitteln, wird in der Regel ein Netz von äußerst empfindlichen Seismometern rund um den Vulkan eingerichtet. Denn gerade die schwachen Erdbeben mit einer Stärke von weniger als 1 sind häufig Anzeichen für das Erwachen eines Vulkans. Zum Beispiel wurden am betroffenen Südwesthang des Ätna in den 12 Stunden vor dem 1981er Ausbruch etwa 2800 kleinere Erdstöße durch die vor Ort installierten Seismometer als Tremor registriert. Über ein automatisches Übertragungssystem wurden die Daten direkt zum Istituto Internazionale di Vulcanologia in Catania weitergeleitet. Mit Hilfe moderner Technik werden Veränderungen der seismischen Aktivität heute in Echtzeit ermittelt. Strukturen und Vorgänge unter der Erdoberfläche können damit unmittelbar und exakt dargestellt und analysiert werden. ⓘ
Geodätische Überwachung
Dringt Magma aus der Tiefe nach oben, so können in bestimmten Bereichen des Vulkans Deformationen der Erdoberfläche in Form von Aufbeulungen, Absenkungen, Neigungen, Buckeln und Rissen entstehen. Diese Deformationen können mit meist in Bohrlöchern des Gesteins fest installierten Neigungsmessern (Klinometern) und Dehnungsmessern (Extensometern) vor Ort gemessen werden. Diese Phänomene können aber auch schon mit einfachen Mitteln wie zum Beispiel mit einem Bandmaß oder durch aufgesprühte Linien erkannt werden. ⓘ
Anfang August 1982 hatten Geologen im Kraterboden des Mount St. Helens viele schmale Bodenrisse entdeckt und sie mit Farblinien markiert. Zwei Tage später bereits waren die Linien deutlich gekrümmt, was eine Veränderung der Risse durch aufsteigendes Magma anzeigte. Wenige Tage später kam es zu einer heftigen Eruption des Vulkans. Im Oktober 2004 wurde am Mount St. Helens eine Aufbeulung einer Vulkanflanke von mehr als 100 m beobachtet, die auch mit bloßem Auge sichtbar war. ⓘ
Eine komplexere und exaktere Methode zur Erfassung morphologischer Veränderungen ist zum Beispiel die Messung horizontaler Entfernungen mit Elektronischer Distanzmessung (EDM). Ein EDM kann elektromagnetische Signale senden und empfangen. Die Wellenphase verschiebt sich dabei in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen EDM und reflektierendem Objekt und gibt damit das Ausmaß der entstandenen Verschiebung an. EDMs haben Reichweiten bis zu 50 km und hohe Messgenauigkeiten von wenigen Millimetern. Oberflächenveränderungen vor allem größerer Gebiete und abgelegener Vulkane werden mit Hilfe von satellitengestützten geodätischen Messverfahren beobachtet. ⓘ
Da sich infolge von Deformationen des Geländes auch Grundwasser- und Oberflächenwasserstände relativ zueinander verändern können, werden oft Grundwassermessstellen eingerichtet und in gewässernahen Gebieten Fluss- und Seewasserpegel installiert. Man setzt inzwischen auch Satellitenbilder zur Überwachung von Vulkanen und deren Verformung bzw. Aufwölbung ein. ⓘ
Messung gravimetrischer und magnetometrischer Veränderungen
Dringen heiße Gesteinsschmelzen in oberflächennahe Erdschichten, so werden lokale Veränderungen im Schwerefeld beobachtet. Diese örtlichen Veränderungen werden durch Dichteunterschiede zwischen Magma und Umgebungsgestein verursacht. Solche sogenannten mikrogravimetrischen Anomalien lassen sich mit Hilfe von hoch empfindlichen Gravimetern entdecken, die an aktiven Vulkanen zum Einsatz kommen. ⓘ
Beim Magma-Aufstieg können auch lokale Änderungen des Magnetfeldes registriert werden, die durch thermische Einwirkungen verursacht werden. Bereits 1981 wurden am Südhang des Ätna und in etwa 20 km Entfernung zum Ätna zwei magnetometrische Stationen mit automatischer Daten-Fernübertragung in Betrieb genommen. ⓘ
Erfassung von Temperaturerhöhungen
Der Aufstieg des etwa 1100 bis 1400 °C heißen Magmas aus einer Magmakammer oder direkt aus dem oberen Erdmantel geht in erster Linie mit einer lokalen Temperaturerhöhung des Nebengesteins einher. Mit Hilfe ortsfester Stationen zur Temperaturmessung und durch Infrarot-Aufnahmen von Satelliten aus können solche thermischen Aufheizungen festgestellt werden, die durch oberflächennahe Stauung aufgedrungener Schmelzen entstehen. ⓘ
Fazit
Trotz der Vielzahl der Frühwarnsysteme und vieler neuer Erkenntnisse auf diesem Gebiet wird sich bei Vulkanausbrüchen eine gewisse Unberechenbarkeit nie ganz ausschalten lassen. Parallel zur Vorhersage gefährlicher Eruptionen sind Schutzmaßnahmen, Risiko- und Handlungspläne, Aufklärung der betroffenen Bevölkerung und gesetzliche Regelungen für den Ernstfall notwendig. Zusätzlich könnte es sich lohnen, auch die Natur einer gefährdeten Region genau zu beobachten. Oft reagieren Tiere sensibler und verlassen ein gefährdetes Gebiet weit vor einem Vulkanausbruch. ⓘ
Größter Vulkan der Erde
Nature Geoscience veröffentlichte in seiner Septemberausgabe 2013 (Vol 6 No 9) einen Artikel, in dem Forscher das unterseeische Tamu-Massiv östlich von Japan für den größten Vulkan der Erde halten. Die von Forschern um William Sager (University of Houston) (Texas/USA) analysierten Gesteinsproben des Massivs stammen aus maximal 175 Metern Tiefe; das Massiv erhebt sich mehrere Kilometer über den Meeresboden. Der schildförmige unterseeische Berg könnte entstanden sein, als an einer Stelle riesige Lavamengen austraten und beim Abkühlen flache, weit reichende Hänge schufen. Es handle sich wahrscheinlich um einen Einzelvulkan von 650 Kilometern Länge und 450 Kilometern Breite. ⓘ