Prognosen von Vulkaneruptionen

Unterrichtseinheit «Vulkanismus» – Thema «Prognosen»
Prognosen von Vulkaneruptionen
Vesuv aus 10'000 Metern Höhe: der Vulkan steht innerhalb der Agglomeration Neapel mit insgesamt gegen drei
Millionen Einwohnern. Siedlungen wachsen auch an seinen Flanken (Foto J. Alean)
Lernziele
1.) Sie sind in der Lage zu beschreiben, welche geologischen Vorgänge zu einem grossen
Vulkanausbruch führen.
2.) Sie können beschreiben und erklären wie man grosse Vulkaneruptionen voraussagen kann.
3.) Sie kennen Beispiele von erfolgreichen Voraussagen, aber auch von Misserfolgen.
4.) Sie können darlegen, weshalb es bei einem drohenden Vulkanausbruch sehr heikel ist, zum
richtigen Zeitpunkt Warnungen heraus zu geben und Evakuationen der Bevölkerung
anzuordnen.
Einleitung
Bei einem grossen Vulkanausbruch treten Lava und bedeutende Mengen vulkanischer Gase an die
Erdoberfläche und gefährden so die lokale Bevölkerung. Noch im 20. Jahrhundert gab es zwei
Vulkankatastrophen mit je über 20'000 Todesopfern! Die gefährdeten Zonen sind vielerorts so
gross, dass man die Bewohnerinnen und Bewohner nicht einfach permanent umsiedeln kann (verSeite 1
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gleiche Titelbild!). Ist es aber möglich, Ausbrüche früh genug vorauszusagen, damit Evakuationen
eingeleitet werden können?
Aufgabe 1
Im unten stehenden Text «Entstehung eines grossen Vulkanausbruchs» (1. Spalte) wird beschrieben, was vor der Eruption im Vulkaninnern passiert. Anschliessend finden Sie Bildmaterial zu
Messgeräten und Phänomenen an der Erdoberfläche. Ihre erste Aufgabe ist es, diese den passenden
Textstellen ab Punkt 6.) zuzuordnen (Buchstaben A bis I in Spalte 2). Begründen Sie den jeweiligen
Entscheid stichwortartig in Spalte 3.
Entstehung eines grossen Vulkanausbruchs
Die unten geschilderte Entwicklung kann etwa so bis zum letzten Schritt ablaufen. Der Ablauf kann
aber auch bei jedem der einzelnen Schritte wieder zum Stillstand kommen. Es gibt dann natürlich
keinen Ausbruch oder zumindest keinen grossen.
ACHTUNG! Beschrieben werden die Entwicklungen vor einem grossen Ausbruch eines Vulkans mit
einem geschlossenen Schlot, also eines Vulkans, der sich jahrelang ruhig verhielt. Gefährliche
Ausbrüche bei Vulkanen mit offenem Schlot, die laufend tätig sind wie Stromboli und Ätna, haben
oft keine erkennbaren Vorläufer. Sie lassen sich nicht wie unten beschrieben prognostizieren.
Vorgänge im Vulkaninneren
1.) In einigen Kilometern Tiefe ist die Erdkruste
so heiss, dass sich das Gestein beinahe am
Schmelzpunkt bei den dort herrschenden
Druckverhältnissen befindet. Eine geringe Erhöhung der Temperatur (oder die Zufuhr von
Wasser, welches den Schmelzpunkt ebenfalls
vermindert) kann das Gestein also zum Schmelzen
bringen.
2.) Unter manchen Vulkanen befinden sich
permanent flüssige Gesteinsmassen, also Magma.
Meist ist es nicht ein kompakter Magmaherd,
sondern das Magma ist in verzweigten Gangsystemen verteilt. Dennoch bezeichnet man diese
Zone als «Magmakammer».
Bild
Begründung der Bildauswahl
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Kein Eintrag
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3.) Das Magma enthält verschiedene Gase in
gelöster Form (ähnlich wie in einer geschlossenen
---Mineralwasserflasche mehrere Liter Kohlendioxid
gelöst enthalten sind): Es handelt sich vor allem um
die Gase Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und
Wasserdampf.
Kein Eintrag
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4.) Manchmal wird aus noch grösserer Tiefe,
manchmal direkt aus dem Erdmantel, frisches
Magma zugeführt. Die Temperatur der Magmakammer steigt.
5.) Dadurch sinkt die spezifische Dichte des
Magmas, es wird «leichter» als das Gestein der
Umgebung, und es erhält einen Auftrieb (wie ein
Stück Holz, das unter Wasser gehalten wird).
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Kein Eintrag
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6.) Das Magma beginnt sehr langsam aufzusteigen. Das kann es aber nur, wenn es das Gestein
oberhalb aufreisst, wenn dort also Klüfte
(Gesteinsspalten) geöffnet werden. Dadurch
werden Erschütterungen ausgelöst: vulkanische
Erdbeben.
7.) Je höher das Magma steigt, desto kleiner wird
der Druck. Dadurch sinkt die Löslichkeit der Gase.
Es bilden sich Gasblasen. Durch aufgehende Klüfte
(Spalten im Gestein) tritt bereits Gas aus dem
Vulkan, lange bevor Magma an die Oberfläche
gelangt. Je näher das Magma zur die Erdoberfläche
gelabt, desto mehr und desto heisseres Gas tritt bei
Fumarolen aus.
8.) Das Magma wandert gegen die Erdoberfläche
und dringt in den Vulkankegel ein. Dadurch wird
der Vulkan angehoben.
9.) Allenfalls dehnt sich der Vulkan sogar
seitlich aus (zunächst handelt es sich nur um
Millimeterbeträge, später können es Dutzende
Meter sein).
10.) Im flüssigen Magma im Innern des Vulkans
laufen Druckwellen auf und ab. Diese mehr oder
weniger regelmässigen Schwingungen werden auf
das Gestein übertragen. Man nennt dies den
vulkanischen Tremor.
11.) Das aufsteigende Magma erreicht an
irgendeiner Stelle die Erdoberfläche, es kommt zu
ersten, oft noch kleinen Ausbrüchen. Die sich rasch
ausdehnenden Gase zerfetzen mitgerissene Lava,
was zur Bildung und dem Ausstoss der
Vulkanasche führt.
12.) Die ersten Ausbrüche vermindern den Druck
im Magma, das sich noch weiter unten im Vulkan
befindet. Dadurch sinkt die Löslichkeit der gelösten
Gase weiter, es bilden sich immer mehr Gasblasen
– es kommt zu einer Kettenreaktion: Das Gas
braucht noch mehr Platz, es drückt noch mehr
Magma aus dem Vulkan, der Druck sinkt weiter.
Jetzt ist die grosse Haupteruption in vollem Gang.
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Bildmaterial
A) Seismograph: Registriert Bodenerschütterungen. Der
Schreibstift hat eben einige Erdbeben aufgezeichnet.
Werden mehrere Seismographen kombiniert, kann man
auch die räumliche Lage der Erdbebenquellen bestimmen.
B) GPS-Messstation: Registriert die absolute Lage des
Instruments im Raum auf wenige Millimeter genau.
C) Während im Hintergrund bereits erste Ausbrüche
stattfinden (Aschewolke!) wird ein Neigungsmesser
(Tiltmeter) installiert. Dieser kann die Veränderung der
Bodenneigung auf Tausendstel Grad genau bestimmen.
Man kann also feststellen, ob die Vulkanflanke steiler
wird.
D) An der Flanke des Ätna hat sich im Gelände eine
Spalte geöffnet. Sie ist an der Strassenmauer besonders
gut erkennbar.
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E) Kleinere Ausbrüche bei einem Vulkan fördern Asche.
Sie hat in den letzten Stunden die Autos im Vordergrund
verschmutzt.
F) Vulkanischer Tremor,
aufgenommen auf Stromboli.
G) Mit einem Laser-Distanzmessgerät können Strecken
über viele Kilometer hinweg auf Millimeter genau
bestimmt werden.
H) Messung der Temperatur und Zusammensetzung
der Gase an einer Fumarole. Die Person trägt einen
Atemschutz.
I) (Die zwei Bilder oben gehören zusammen) Nach oben gerichtete Öffnung eines COSPEC (Correlation
Spectrometer). Damit kann man unter der Eruptionswolke durchfliegen und die Menge des vom Vulkan
ausgestossenen Schwefeldioxids bestimmen.
Bildquellen: a) United States Geological Service USGS, b) J. Alean und M. Fulle – Stromboli online
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Erfolge
Grosse Erfolge verzeichneten die Vulkanologen bei der Vorhersage der Ausbrüche des Mount St.
Helens, USA (1980) und des Pinatubo, Philippinen (1991). Im Fall des Pinatubo wären ohne
Evakuationen möglicherweise über 100'000 Menschen umgekommen. So starben «nur» wenige
hundert.
Misserfolge
1976 wurde die gesamte Bevölkerung der Karibikinsel Guadeloupe (Vulkan Soufrière), 72'000
Personen, evakuiert. Vorher hatten zwei konkurrenzierende französische Vulkanologengruppen
gegensätzliche Meinungen vertreten: die einen glaubten an einen grossen Ausbruch, die anderen
vertraten die Ansicht, dass nach einigen kleinen Eruptionen wieder Ruhe einkehren würde. Diese
zweite Gruppe hatte schlussendlich Recht.
Vorläufer der Eruption des Nevado del Ruiz in Kolumbien von 1985 veranlassten Vulkanologenteams, den vergletscherten Vulkan (Gefahr von Laharen!) genau zu untersuchen. Es wurden
gefährdete Siedlungsgebiete identifiziert und Umsiedlungen empfohlen. Wenige Tage vor der
Haupteruption gaben die Vulkanologen mehrfach Warnungen heraus und versuchten die Bevölkerung zu informieren. Die örtlichen Behörden blieben aber skeptisch und unternahmen nichts.
Anscheinend verliessen etwa 10'000 Personen auf Eigeninitiative das Gebiet und retteten sich somit
selbst. Durch Schlammströme kamen dennoch 25'000 Menschen ums Leben, die ohne weiteres
hätten gerettet werden können. Zum Misserfolg führten hier also nicht wissenschaftliche Probleme,
sondern politische.
Aufgabe 2
Überlegen Sie und halten Sie die Ergebnisse fest:
a.) Welche Konsequenzen hätte eine Evakuation für die Bevölkerung in der Region rund um den
Vesuv und für den Rest Italiens?
b.) Was würde geschehen, falls es in der Folge trotz einer Evakuation nur kleine, unschädliche oder
gar keine Ausbrüche gäbe?
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Die Lösung...
steht auf der nächsten Seite...
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Mögliche Lösung Aufgabe 1
6.) Das Magma beginnt sehr langsam aufzusteigen.
Das kann es aber nur, wenn es das Gestein
oberhalb aufreisst, wenn dort also Klüfte
(Gesteinsspalten) geöffnet werden. Dadurch
werden Erschütterungen ausgelöst: vulkanische
Erdbeben.
A
Aufreissen der Klüfte =>
vulkanische Erdbeben => messbar
mit Seismograph. Die Zahl der
Erdbeben pro Zeiteinheit nimmt zu.
7.) Je höher das Magma steigt, desto kleiner wird
der Druck. Dadurch sinkt die Löslichkeit der
Gase. Es bilden sich Gasblasen. Durch
aufgehende Klüfte (Spalten im Gestein) tritt
bereits Gas aus dem Vulkan, lange bevor Magma
an die Oberfläche gelangt. Je näher das Magma
zur die Erdoberfläche gelabt, desto mehr und
desto heisseres Gas tritt bei Fumarolen aus.
H
Steigende Temperatur der Gase
deutet auf aufsteigendes Magma
hin.
8.) Das Magma wandert gegen die Erdoberfläche
und dringt in den Vulkankegel ein. Dadurch wird
der Vulkan angehoben.
B
C
GPS-Messungen: zeigt direkt
Hebung an; Neigungsmesser: der
angehobene Vulkan wird steiler.
9.) Allenfalls dehnt sich der Vulkan sogar seitlich
aus (zunächst handelt es sich nur um
Millimeterbeträge, später können es Dutzende
Meter sein).
B
G
D
GPS-Messungen => Verschiebungen der Stationen (bei Ausdehnung
des Vulkans: von diesem weg),
Zwischen den Stationen vergrössert
oder verkleinert sich die Distanz, je
nachdem, wo sich diese befinden.
Starke Ausdehnung => Aufreissen
von Spalten.
10.) Im flüssigen Magma im Innern des Vulkans
laufen Druckwellen auf und ab. Diese mehr oder
weniger regelmässigen Schwingungen werden
auf das Gestein übertragen. Man nennt dies den
vulkanischen Tremor.
F
Die Anwesenheit von (flüssigem)
Magma im Vulkankegel oder unter
ihm macht sich durch den Tremor
bemerkbar.
11.) Das aufsteigende Magma erreicht an
irgendeiner Stelle die Erdoberfläche, es kommt
zu ersten, oft noch kleinen Ausbrüchen. Die sich
rasch ausdehnenden Gase zerfetzen mitgerissene
Lava, was zur Bildung und dem Ausstoss der
Vulkanasche führt.
E
Kleinen Ausbrüchen folgen oft
grössere. Sie machen den Weg frei
für immer mehr austretende Lava
und vulkanisches Gas.
12.) Die ersten Ausbrüche vermindern den Druck
im Magma, das sich noch weiter unten im
Vulkan befindet. Dadurch sinkt die Löslichkeit
der gelösten Gase weiter, es bilden sich immer
mehr Gasblasen – es kommt zu einer
Kettenreaktion: Das Gas braucht noch mehr
Platz, es drückt noch mehr Magma aus dem
Vulkan, der Druck sinkt weiter. Jetzt ist die
grosse Haupteruption in vollem Gang.
I
Mit COSPEC-Messungen kann man
feststellen, ob immer mehr
Schwefeldioxid ausgestossen wird.
Falls dem so ist, wird ein grösserer
Ausbruch wahrscheinlicher. Mit
dem Flugzeug kann man eher für
kurze Zeit in ein gefährdetes Gebiet
eindringen als am Boden.
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Mögliche Lösung Aufgabe 2
Konsequenzen einer Evakuation für die Bevölkerung in der Region rund um den Vesuv und für den
Rest Italiens:
•
Enorme Kosten der Evakuation.
•
Mit Sicherheit gibt es zahlreiche Verkehrsunfälle mit den entsprechenden Folgen.
•
Psychische und materielle Belastungen der Menschen in denjenigen Regionen, die
Evakuierte aufnahmen müssen (natürlich auch der Evakuierten selber).
•
Unterbrochene Nord-Südverbindungen (wichtige Autobahnen, Eisenbahn).
•
Zusammenbruch des Fremdenverkehrs in der Region.
•
Ausfall in der Landwirtschaft, bei der industriellen Produktion und bei den Dienstleistungen.
•
Gebäude, Fabriken und Einrichtungen können nicht unterhalten werden und nehmen
Schaden.
•
Gefahr, dass verlassene Gebäude und Anlagen geplündert würden.
Was würde geschehen, falls es in der Folge trotz einer Evakuation nur kleine, unschädliche oder gar
keine Ausbrüche gäbe?
•
Die Bevölkerung würde das Vertrauen in die Fähigkeit der Wissenschaftler verlieren,
Ausbrüche vorauszusagen. Später würde ein Alarm kaum mehr Ernst genommen.
•
Die oben erwähnten Kosten, Gefahren und Schäden hätte man «umsonst» in Kauf
genommen.
•
Die Bevölkerung würde zurückkehren (was umso schlimmer wäre, wenn es dann später
doch einen Ausbruch gäbe).
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