Naturkatastrophen
Vulkanismus
Geschmolzenes Gestein steigt aus dem Erdinnern nach oben,
da es weniger dicht
ist als das umgebende Gestein. Es bildet in der Lithosphäre, der äußeren und
erkalteten Schale der Erde, Magmakammern (Magmakammern entstehen also in den Schwächezonen der
Erdkruste.)
und gelangt von dort an die Oberfläche. Diesen Prozess nennt man Vulkanismus.
Dazu zählt auch der Austritt fester und gasförmiger Stoffe an der Erdoberfläche.
Diese besteht größtenteils aus vulkanischem Gestein. Die bekannteste
Erscheinungsform des Vulkanismus sind die kegelförmigen Vulkanberge.
Magmakammern
werden auch als Vulkanherd bezeichnet. Das Magma
steigt aus der Tiefe der Schwächezonen der Erdkruste und bildet dort mehr oder
weniger große Magmakammern. Von hier bezieht ein Vulkan
schließlich seine Schmelze und Gase. Magmakammern können in sehr
unterschiedlichen Tiefen der Erdkruste entstehen.
Magma ist aufgeschmolzenes Gestein im Innern der Erde (von griechisch mágma =
geknetete Masse). Wenn es durch einen Vulkan
an der Erdoberfläche austritt, wird es als Lava
bezeichnet. Die Schmelzen haben Temperaturen von rund 1000 °C. Je nach der
chemischen Zusammensetzung der Lava variiert ihre Temperatur in Bereichen
zwischen 800 und 1200 °C. Solche Temperaturen treten teilweise schon in Tiefen von 30-40 km, also in der Lithosphäre
(von griechisch lithos = Stein), der äußersten und erkalteten Schale der Erde,
auf. Zumeist werden sie aber erst in 75-250 km Tiefe in der Asthenosphäre (von
griechisch asthenos = weich) erreicht. Wir wissen jedoch durch die Auswertung
von Erdbebenwellen,
dass die Asthenosphäre durch den enormen Druck, der von Seiten der Lithosphäre
auf ihr lastet, trotz großer Hitze nicht flüssig ist, sondern plastisch reagiert
und somit eher fest ist. Der Druck wirkt der Verflüssigung entgegen.
Zur Aufschmelzung und Bildung von Magma kommt es nur bei Störungen der
vorherrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse, also dort, wo die
Temperaturen im Verhältnis zum Druck sehr hoch sind oder, wo der Druck auf die
heißen, plastischen Gesteinsmassen nachlässt. Diese Störungen finden wir dort,
wo sich Lithosphärenplatten trennen, und dort, wo eine Platte
unter die andere abtaucht. Durch Konvektionsströmungen steigt plastisches
Mantelmaterial entlang der Naht von zwei sich trennenden Platten, etwa an
mittelozeanischen Rücken, nach oben. Die Druckentlastung entlang dieser
Trennungslinie führt zum Schmelzen des plastischen Materials. Wo eine Platte
unter der anderen abtaucht, wird das Gleichgewicht in der Asthenosphäre dadurch
gestört, dass Reibungshitze entsteht und die Temperatur im Verhältnis zum Druck
sehr hoch wird. Zudem werden wasserreiche Sedimente des Ozeanbodens bei der
Kollision einer ozeanischen Platte mit einer kontinentalen Platte in die Tiefe
gezogen, wodurch die Schmelztemperatur des Gesteins herabgesetzt wird. Aus
diesen Gründen treten Vulkane in ganz bestimmten Zonen und Gürteln der Erde auf,
den Grenzen der Lithosphärenplatten. Einige Mineralien im Mantel schmelzen bei
niedrigeren Temperaturen eher als andere. Das entstehende Magma ist daher eine
zähe Flüssigkeit, die zwischen heißen, aber immer noch festen Kristallen
entsteht. Der Geologe bezeichnet diesen Bereich als partiell geschmolzene Zone.
Die Magmabildung ist also mit einer Mineraltrennung nach Chemismus, Schmelzpunkt
und Dichte verbunden. Jeder Temperaturbereich bildet daher eine bestimmte
partielle Schmelze.
Durch diesen komplexen Prozess
können sich bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Magmen bilden. Das
meiste Magma ist von seiner Zusammensetzung her basaltisch. Flüssiges Gestein
hat eine geringere Dichte als festes Gestein und steigt daher
in Richtung Erdoberfläche. Durch Poren und Klüfte im überlagernden festen
Gestein steigt es langsam aufwärts und bildet größere Magmanester. Letztendlich
wird das umgebende Gestein aufgeschmolzen oder beiseite gedrängt, und es
entstehen umfangreiche Magmakammern,
die in unterschiedlichsten Tiefen der Lithosphäre sitzen können. Ihre Größe kann
Dimensionen von mehreren Kilometern erreichen. Von dort aus steigt das Magma
infolge des sich aufbauenden Druckes durch Spalten oder Vulkanschlote hinauf an
die Erdoberfläche und wird bei einer Vulkaneruption
zu Lava.
Vulkanismus an mittelozeanischen Rücken:
An Stellen der Erde, an welchen sich tektonische Platten voneinander
wegbewegen, füllen Vulkane die Trennungsnarben der auseinanderdriftenden Platten
mit basaltischen Lavaströmen aus, sodass sich mittelozeanische Rücken und neuer
Meeresboden bilden. Die Spalte zwischen den Platten reicht nach unten bis in die
heiße Asthenosphäre. Diese Form des Vulkanismus wird als Riftvulkanismus
bezeichnet und bedingt die volumenreichsten Lava-Eruptionen. An einigen Stellen
der Erde reichen die Basaltmassen der mittelozeanischen Rücken bis über den
Meeresspiegel und bilden Inseln. Ein bekanntes Beispiel ist Island. Durch diese
Art von Vulkanismus entsteht permanent neues Plattenmaterial, während älterer
Meeresboden an den Subduktionszonen verschluckt wird. Obwohl es bereits seit
Jahrmilliarden Ozeane gibt, ist der Meeresboden infolge dieses Prozesses
weltweit nicht älter als 200 Millionen Jahre.
Inselbogen- und Kontinentalrandvulkanismus:
Die gefährlichsten Vulkane stehen dort, wo eine Lithosphärenplatte unter
einer anderen in die heiße Asthenosphäre abtaucht. Sie befinden sich einige
Kilometer vom Plattenrand entfernt auf der überlagernden Platte und entstehen
durch partielles Aufschmelzen der Gesteine im oberen Teil der abtauchenden
Platte. Ihre Gefährlichkeit liegt in ihrem explosiven Charakter.
Ausbrüche
werden von Schlammströmen und schweren Aschenregen
begleitet. Zum Teil werden vulkanische Aschen
durch Luftströmungen so weit transportiert, dass sie erst in großer
Entfernung von einem aktiven Vulkan niederfallen.
Im
Jahr 79 n. Chr. verschüttete der Vesuv die Stadt Pompeji und ihre Menschen mit
einem Regen aus Bims und glühender Asche. Der römische Politiker und
Schriftsteller Plinius der Jüngere berichtete in einem Brief an den Historiker
Cornelius Tacitus über die Geschehnisse in Pompeji. Durch den Ausbruch des
Vesuvs wurde die Stadt in eine dunkle Wolke gehüllt. Ein Regen aus Asche und
kleinen Bimsstücken fiel auf die Stadt nieder. Hinzu kam ein immer stärker
werdender Nebel aus erstickenden Schwefelgasen. Menschen fielen zu Boden und
wurden rasch von einer Schicht aus Bims und Asche bedeckt. Die meisten Menschen
hatten zwar den Bimssteinniederschlag überlebt, wurden aber mehrere Stunden
später von pyroklastischen
Strömen überwältigt, die an den Hängen des Vesuvs hinabrasten. Ihre Leichen
hinterließen Löcher in den vulkanischen Ablagerungen, die bei den Ausgrabungen
mit Gips ausgegossen wurden. So wurden zusammengekrümmte Menschen wie
versteinert sichtbar, die dem Besucher der Ausgrabungen ein dramatisches Bild
vom katastrophalen Geschehen vor fast 2000 Jahren liefern.
Da beim Abtauchen einer ozeanischen Platte wasserreiche Sedimente des
Meeresbodens mitgezogen werden, kann in der Subduktionszone Wasser verdampfen
und durch seine Überhitzung eine explosive Tätigkeit der Vulkane fördern. Zudem
wird der Schmelzpunkt des abtauchenden Gesteins durch das Wasser herabgesetzt.
Es kann früher aufschmelzen und wegen seiner geringeren Dichte gegenüber kaltem
Gestein nach oben steigen und parallel zum Plattenrand Vulkanreihen bilden. Ein
wesentlicher Unterschied zum Vulkanismus an mittelozeanischen Rücken besteht
darin, dass verschiedene Arten von vulkanischem Gestein gefördert werden. Aus
der Asthenosphäre über der abtauchenden Platte stammt dünnflüssiger Basalt. An
der abtauchenden Platte werden partiell basaltische Kruste und
Ozeanbodensedimente aufgeschmolzen, wodurch andesitisches Magma entsteht, das
wegen seiner hohen Zähflüssigkeit zu explosiven Ausbrüchen führt. Wo eine
ozeanische Platte unter einer anderen ozeanischen Platte abtaucht, bilden sich
durch den Vulkanismus auffällige Inselbögen. Beispiele sind der japanische
Inselbogen mit dem Fujiyama und der Inselbogen der Philippinen.
Wird eine ozeanische Platte unter eine kontinentale Platte gezogen, bilden
sich vulkanische Bergketten wie die Anden oder das Kaskadengebirge in
Nordamerika. Einer der Vulkane des Kaskadengebirges ist der Mount St.
Helens.
Vulkan:
Ein Vulkan ist eine Stelle an der
Erdoberfläche, an der feste oder geschmolzene Gesteine sowie gasförmige Stoffe
aus dem Erdinnern an die Oberfläche gefördert werden. Diese Stelle kann auf dem
Land und auf dem Meeresboden liegen. Die Austrittsstellen sind als Schlote oder
als Spalten in der Lithosphäre ausgebildet. Daher spricht man bei vulkanischen
Ausbrüchen von Schlot- oder Zentraleruptionen und von Spalten- oder
Lineareruptionen. Der Begriff “Vulkan“ wird jedoch auch für die geologischen
Bauformen verwendet, die durch vulkanische
Tätigkeit entstanden sind: die auffälligen und teilweise sehr hohen
Vulkanberge. Das Wort "Vulkan" entwickelte sich in Anlehnung an die nördlich von
Sizilien gelegene Insel "Vulcano". Wegen der häufigen Eruptionen auf ihr hielten
sie die Römer für die Schmiede des Feuergottes Vulkanus.
Die Geburt von Vulkanen:
Die
Entstehung eines neuen Vulkans ist ein vergleichsweise seltenes Ereignis. Die
Geburt von Vulkanen verläuft zumeist nach demselben Schema: Zuerst treten über
Tage oder Wochen Erdstöße auf. Dann erfolgt eine Aufwölbung des Untergrundes,
Risse entstehen. Es entweichen Gase und Wasserdampf. Nun folgt die Räumung des
Schlotes durch den explosiven Auswurf des umgebenden Gesteins. Dann dringt Magma
empor und unter Entgasung werden Aschen
und glühende Lavafetzen in Form von Lapilli (vulkanisches Auswurfmaterial in
Nussgröße) und Bomben
ausgeworfen. Durch die entstandene Erweiterung des Schlotes wird eine verstärkte
Entgasung der Lava
möglich. Die explosive Phase geht dann in eine effusive
Phase über, sodass sich letztendlich Lavaströme
ausbreiten können. In dieser Abfolge entstanden im Jahr 1963 die berühmte
1,4 qkm große Vulkaninsel Surtsey vor der Küste Islands und der
Vulkan Eldafjell “Feuerberg“ auf der isländischen Insel Heimaey im Jahr 1973.
Das Ende von Vulkanen:
Nach dem Erlöschen der Vulkantätigkeit
schreitet die Zerstörung, die dem Aufbau von Vulkanen von Anfang an
entgegenarbeitet, schnell voran. Die Erosion legt immer tiefere Einschnitte in
das Gebäude des Vulkans. Bevorzugt werden die vulkanischen Lockermassen
abgetragen. Auf diese Art kommt es im Laufe der Zeit zur so genannten
Reliefumkehr: Durch erkaltete Lavaströme ausgefüllte Täler werden nach und nach
als Bergrücken freigelegt. An Stelle des ehemaligen Kraters erhebt sich nun eine
kegelförmige Kuppe. Ein absterbender Vulkan wird aber nicht nur von außen her,
sondern auch von innen heraus zerstört. Hört der Nachstrom der Lava auf, so kann
das Dach der zum Teil entleerten Magmakammer
in sich zusammenbrechen. An der Stelle des ehemaligen Vulkanberges entsteht eine
Caldera,
ein kesselartiges Becken, das zum Teil Durchmesser von mehreren Kilometern
aufweisen kann.
Die Verbreitung von Vulkanen:
Die meisten Vulkane treten in auffälligen
Gürteln, Ketten oder schmalen Linien auf.
Dieses Phänomen war den
Wissenschaftlern
lange Zeit ein Rätsel. Heute ist dieses Rätsel gelöst. Die Linien, Ketten und
Gürtel mit Vulkanen markieren die Grenzen von großtektonischen Platten der
Lithospähre, die auch Bereiche erhöhter Erdbebentätigkeit sind. (s. a.
Theorie der
Plattentektonik).
Der dabei vorherrschende Charakter des Vulkanismus
verändert sich in Abhängigkeit vom Typ des Plattenrandes.
Untermeerische Vulkane in der Südsee erforscht:
Die
Universität Kiel leistet bei
einer internationalen Tiefsee-Expedition Pionierarbeit.
In der Südsee, im
Bereich des Tonga-Inselbogens brodelt es: In einer Wassertiefe zwischen 150 und
950 Metern sind Vulkane mit mächtigen Lavaströmen und metallreichen Ablagerungen
in bisher nicht bekanntem Ausmaß aktiv. Auf einer Forschungskampagne im
Südpazifik unter der Leitung der Kieler Universität haben Wissenschaftler zum
ersten Mal heiße Quellen in diesem Gebiet mit einem Tauchboot untersucht. Die
Inselbogen-Vulkankette erstreckt sich über 2500 Kilometer Länge von Neuseeland
bis nach Tonga.
"Wir haben vollkommen neues Territorium erforscht und
hydrothermale Aktivität von einer Intensität vorgefunden, wie wir sie nicht
erwartet hatten", berichtet Professor Peter Stoffers, Leiter der Abteilung
Marine und Terrestrische Geochemie an der Christian-Albrechts-Universität
zu Kiel. Er leitete die gerade beendete 30-tägige Expedition mit den
amerikanischen Forschungstauchbooten Pisces IV und V. "Bei unseren insgesamt 13
Tauchgängen fanden wir aktive so genannte Schornsteine aus Baryt, Anhydrit und
Eisen-, Zink- und Kupfersulfiden mit Höhen bis zu zehn Metern. Die dort
austretenden heißen Wässer haben Temperaturen bis zu 265 Grad Celsius. Außerdem
konnten wir intensive Gasaustritte, weit verbreitete Schwefelabscheidungen und
einen dichten Muschelbewuchs beobachten."
Bereits seit 2002 erforschen
die Kieler Wissenschaftler die
submarinen Vulkane entlang des Tonga-Kermadec Insebogens, die dadurch entstehen,
dass die Pazifische unter die Indisch-Australische Platte abtaucht. Bei dieser
so genannten Subduktion schmilzt die abtauchende Platte im Untergrund auf. Ein
Teil dieser Schmelzen und die freigesetzten Fluide bahnen sich aus der Tiefe den
Weg zurück an die Oberfläche und bilden den vulkanischen Inselbogen. "Unser Ziel
ist es, Kenntnisse darüber zu erlangen, wie im Erdmantel die Schmelze entstehen,
wie sich die Erdkruste entwickelt und welche Dynamik das Erdinnere aufweist", so
Professor Stoffers.
Kontinentaler Riftvulkanismus:
Entsteht bei der Spaltung eines Kontinents. Charakteristisch dabei ist eine
Grabenbildung, also die Entstehung eines Rift-Valleys,
die durch basaltischen Vulkanismus charakterisiert ist. Ein bekanntes Beispiel
hierfür liefert das ostafrikanische Rift-Valley. Die Grabenbildung und der
Vulkanismus bilden dort offensichtlich das Anfangsstadium der Entstehung eines
neuen Ozeans. Intraplattenvulkanismus: Einige Vulkane und Erscheinungen des
Vulkanismus finden sich weit entfernt von ihren klassischen
Verbreitungsgebieten, den Rändern der Lithosphärenplatten. Beispiele sind die
hawaiianische Vulkankette und die großen Basaltdecken im Hochland von Dekan in
Vorderindien. Die Entstehung der Vulkanketten innerhalb von Platten wird durch
so genannte Hot
Spots erklärt. Die großen Basaltdecken entstehen durch Spalteneruptionen
von sehr flüssigem Basalt.
Lavaplateau:
In der Erdgeschichte kam es wiederholt
zu gewaltigen, flächenhaften Lavaausflüssen, so genannten Spalteneruptionen.
Die dünnflüssige Lava
tritt dabei nicht aus einem zentralen Vulkanschlot, sondern aus nebeneinander
liegenden tiefreichenden Spalten im Untergrund aus. Die entstandenen Lavadecken
bilden geomorphologische
Großformen, die als Lavaplateaus, Plateaubasalt, Flutbasalt oder Trappdecke
bezeichnet werden. Das Wort “Trapp“ dürfte wegen der treppenartigen Morphologie
infolge der häufigen Übereinanderfolge von basaltischen Flächenergüssen
entstanden sein. Große Lavaplateaus gibt es in Indien (Dekkantrapp), Island und
an der Grenze zwischen Brasilien, Argentinien und Paraguay. In Mitteleuropa gibt
es ähnliche Erscheinungen im Ronneburger Hügelland zwischen Vogelsberg und
Untermainebene. Man geht heute davon aus, dass die gewaltigen Lavamengen, die
beim Aufbau der großen Lavaplateaus ausflossen, zu globalen Klimaveränderungen
führten. Einige Wissenschaftler vermuten daher einen unmittelbaren Zusammenhang
zwischen großen Spalteneruptionen und Artensterben, wie im Falle der
Dinosaurier.
Vulkane und Klima:
Die Beeinflussung des Klimas durch
vulkanische Aktivität ist immer wieder Gegenstand wissenschaftlicher
Untersuchungen und Diskussionen. Wenn eine gewaltige Aschewolke in die
Atmosphäre aufsteigt, ist die lokale Auswirkung auf das Wettergeschehen
dramatisch: Die Sonne wird verhüllt, der Aufstieg der Wolke führt zu gewaltigen Winden
und die Feuchtigkeit, die in den aufsteigenden Gasen und der umgebenden Luft
enthalten ist, kondensiert zu Regen. Mitunter ist eine Aschewolke derart mit
Feinmaterial beladen, dass winzige Schlammkugeln statt Regentropfen herabfallen.
Die meisten dieser Phänomene treten in der Nähe des Vulkans auf. Aschewolken
können sich aber auch über Hunderte von Kilometern ausbreiten. Diese lokalen bis
regionalen Auswirkungen auf das Wetter sind bisweilen gewaltig und in Bezug auf
den Luftverkehr z. B. auch sehr störend; sie haben aber meist keine Auswirkungen
auf das Klima. Entscheidender ist die Rolle des Schwefels. Er wird als
Schwefelwasserstoff, ein nach faulen Eiern riechendes Gas, und
als stechend riechendes Schwefeldioxid ausgestoßen. In der Luft
oxidiert der Schwefelwasserstoff rasch zu Schwefeldioxid, welches mit Wasser
schweflige und schließlich feinste Schwefelsäure-Tröpfchen
bildet. Die Menge an entstehenden Aerosolen bei
vulkanischer Aktivität kann beträchtlich sein. Beim Ausbruch des El Chichon in
Mexiko vom 28. März bis 4. April 1982 wurde der Aerosolgehalt in 25 km Höhe auf
12-20 Millionen Tonnen mit einem 99 %igem Schwefeläure-Gehalt
geschätzt. Noch größere Aerosolmengen erzeugte der philippinische Pinatubo im
Jahr 1991 mit 30 Millionen Tonnen. Wie die Bilder des US-Wettersatelliten
NOAA-11 zeigten, umrundeten sie die Erde in 22 Tagen. Die Aerosole dämpfen die
Sonnenstrahlen wie ein Filter. Sie streuen das einfallende Sonnenlicht und
vergrößern die Albedo, also das Rückstrahlvermögen. Die dadurch bedingte globale
Temperaturabnahme betrug im Fall des Pinatuboausbruches -0,3 bis -0,5 °C. Im
Fall des El Chichon-Ereignisses waren es -0,2 °C. Bereits beim Ausbruch des Laki
auf Island im Jahre 1783 wurde ein Abkühlungseffekt beobachtet. Die gesamte
Nordhalbkugel erlebte einen ungewöhnlich strengen Winter.
Vorhersage von Vulkanausbrüchen:
Vulkangebiete haben meist sehr
fruchtbare Böden und sind daher dicht besiedelt. Die Vorhersage von
Vulkanausbrüchen ist angesichts der möglichen Verwüstungen in diesen Gebieten
daher von größter Wichtigkeit. Die Aktivität von Vulkanen wurde einst anhand von
Druck- und Temperaturverhältnissen abgeschätzt. Dazu musste man schlotnahe
Bohrungen vornehmen. Heute verlässt man sich lieber auf den Seismometer
und andere moderne Messgeräte. Am gebräuchlichsten ist die Verwendung von
Neigungsmessern, mit denen jede kleine Veränderung an der Oberfläche eines
Vulkans erfasst wird. Denn eine noch so kleine Anhebung der Gesteine kann eine
bevorstehende Eruption ankündigen. Neigungsmesser, so genannte Tiltmeter, waren
früher mit Wasserwaagen zu vergleichen und sehr hitzeempfindlich. Die neuen
elektronischen Tiltmeter sind nicht nur widerstandsfähiger, sondern auch
unvorstellbar genau. Mit ihnen kann man auf einer ein Kilometer langen
Messstrecke eine Anhebung von 1/100 mm feststellen. Mit Extensionsmetern kann
die Dehnung der Oberfläche zwischen zwei Fixpunkten mittels Laserstrahl bestimmt
werden. Auch hier ist die Messgenauigkeit sehr hoch. Auf 30 m lässt sich eine
Veränderung von 0,3 tausendstel Millimeter nachweisen. Ergänzt werden diese
Überwachungsmethoden durch Messungen von Gasemissionen. Trotzdem ist eine exakte
Vorhersage bislang nicht möglich. Nur für intensiv und langfristig studierte
Vulkane lassen sich gewisse Prognosen stellen, um gegebenenfalls die Bevölkerung
auf bevorstehende Eruptionen vorzubereiten. Die Vulkanologie kennt heute die gefährlichen Vulkane der Welt, und
aus der Untersuchung früherer Ablagerungen kann ihr Gefährdungspotential
abgeschätzt werden. Sehr problematisch wird es allerdings bei solchen Ausbrüchen
wie dem des Parícutin im Jahre 1943. Er brach urplötzlich aus dem Boden eines
mexikanischen Maisfeldes hervor. Lediglich kleinere Erdstöße kündigten die
Geburt des Vulkans an.
Amerikanische Wissenschaftler erproben derzeit ein neues Vorwarnsystem. Es
basiert auf der Anwendung des Global Positioning Systems, es besteht aus einer Gruppe
von Satelliten, die vom US-Verteidigungsministerium zur Verfügung gestellt
wurden. Sie befinden sich einige Tausend Kilometer von der Erde entfernt in
einer Umlaufbahn. Grundlage der GPS-Technologie sind genaue Zeit- und
Positionsinformationen. Jeder Satellit sendet permanent die Atom - Zeit und
Standortinformationen. Ein GPS-Empfänger erhält Daten von mindestens drei
Satelliten und kann daraus zentimetergenau seine eigene Position errechnen.
GPS-Antennen sollen Untergrundverschiebungen, die auf einen Vulkanausbruch
hinweisen, sichtbar machen und somit die Bevölkerung rechtzeitig warnen. Am
5452 m hohen Popocatepetl in Mexiko, der sicherlich am besten beobachtete Vulkan
der Erde, wird das neue Warnsystem bereits getestet. Der seit 1994 wieder
verstärkt aktive Vulkan bedroht zahlreiche kleine Dörfer, aber auch die
Millionenstadt Mexiko City.
