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Telegramm aus der Tiefe

Vulkanausbrüche zählen zu den spektakulärsten Naturphänomenen unserer Erde. Neben ihrer verblüffenden Schönheit besteht auch eine erhebliche Gefahr für Mensch und Umwelt. Die Macht der Natur zeigte sich zuletzt im Frühjahr, als die Aschewolke des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull tagelang den Flugverkehr über Europa lahmlegte. Früher versuchten die Menschen, erzürnte Gottheiten mit Opfergaben zu besänftigen; heute verfügen sie über modernste Technologie: Im Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg haben Forscher Fernerkundungsmethoden entwickelt, mit denen sich Vulkangase im sicheren Abstand zum Krater messen und Vulkanausbrüche vorhersagen lassen.

Ein neues System warnt frühzeitig vor Vulkanausbrüchen
von Christoph Kern und Ulrich Platt

Mit dem Popocatépetl ist nicht zu scherzen, soviel scheint klar. Mit einer Gipfelhöhe von über 5400 Metern über dem Meeresspiegel ist er der zweithöchste Vulkan auf dem nordamerikanischen Kontinent. Dass man den vergletscherten Gipfel nur an manchen Tagen vom etwa 60 Kilometer entfernten Mexico City aus sieht, liegt einzig und allein an der Dunstglocke, die meistens über der Stadt hängt. Mit knapp 20 Millionen Einwohnern ist die Metropolregion Mexico City eine der am dichtesten besiedelten Gegenden der Welt und auch eine der Regionen mit der höchsten Luftverschmutzung. So werden aktuellen Studien zufolge über 60 Tonnen Schwefeldioxid jeden Tag durch Industrie und Verkehr der Metropolregion emittiert. Aber in Zeiten erhöhter Aktivität zeigt der Popocatépetl, zu was er in der Lage ist. So hatte der Vulkan im Zeitraum zwischen März 1996 und Januar 1998 wiederholt Ausbrüche, bei denen zeitweise über 10 000 Tonnen Schwefeldioxid pro Tag in die Atmosphäre gelangten. Das entspricht etwa einem Viertel der gesamten anthropogenen – also vom Menschen verursachten – Schwefelemissionen Europas und etwa der Hälfte der Emissionen Mittel- und Südamerikas zusammen.

Allerdings bilden solche Phasen extrem hoher Emissionen eher die Ausnahme. Im langjährigen globalen Mittel greift der Mensch heute deutlich stärker in das Klima ein als Vulkane es im Durchschnitt tun. Auch wenn sich Vulkangase typischerweise hauptsächlich aus Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Schwefeldioxid (SO2) zusammensetzen, und diese drei Gase alle auf direkte oder indirekte Art das Klima beeinflussen, spielen Vulkane im Normalfall eine untergeordnete Rolle für das globale Klima und tragen auf menschlichen Zeitskalen nur unwesentlich zum Treibhauseffekt bei. Obwohl die genaue CO2 Emissionsrate von Vulkanen schwer zu bestimmen ist und aufgrund der sich ändernden Aktivität stark schwankt, sind sich Wissenschaftler einig, dass der mittlere Beitrag der Vulkane nur ungefähr einem Hundertstel der heutigen, durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursachten anthropogenen Emissionen entspricht.
 

Popokatépetl  
An 25 Vulkanen weltweit haben die Heidelberger Wissenschaftler Messinstrumente installiert, um die Gasemissionen der rauchenden Riesen zu überwachen. Das Bild zeigt den Popokatépetl in Mexiko

Nur auf Zeitskalen von Hunderttausenden von Jahren haben Vulkane daher in geologischer Vergangenheit maßgeblich die atmosphärische Zusammensetzung unseres Planeten gestaltet, indem sie dafür sorgten, dass uns das CO2 nicht ausging. Das klingt paradox angesichts der gegenwärtigen CO2-Problematik. Aber ohne Kohlendioxid wäre die Erde komplett eingefroren. Seit der Industrialisierung überwiegt der menschliche Beitrag um Größenordnungen.

Dennoch bleibt die Vulkanforschung ein wichtiges und äußerst spannendes Feld. Denn jeder Vulkanausbruch hat unmittelbare Folgen für die umliegende Region, und kann, je nach Dimension der Eruption, auch weitreichende Konsequenzen für die Erdatmosphäre haben. Ein prominentes Beispiel ist die Explosion des Pinatubo-Vulkans auf den Philippinen im Juni 1991, bei dem etwa 20 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die obere Atmosphäre, die Stratosphäre, gelangten. Die sich dadurch bildenden Sulfat-Aerosole (winzige feste oder flüssige Partikel, die so klein sind, dass es Jahre dauert, bis sie aus der Atmosphäre herausfallen und sich am Boden absetzen) reflektierten einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlen in das Weltall zurück und führten somit zu einer länger währenden Senkung der Jahresmitteltemperaturen am Erdboden um etwa 0,5 Grad Celsius. Das mag vernachlässigbar erscheinen, aber wenn man bedenkt, dass die mittlere globale Temperatur während des letzten glazialen Maximums vor 22 000 Jahren, bei dem Nordeuropa komplett vergletschert war, um nur circa sechs Grad unter der heutigen lag, erkennt man die Signifikanz dieses Ereignisses.

Es ist schwer vorstellbar, welche Folgen ein Ausbruch des Popocatépetls in solcher Dimension für die Einwohner von Mexico City hätte. Lawinen aus glühend heißer Asche (sogenannte pyroklastische Flüsse), durch das schlagartige Abschmelzen des Gipfelgletschers verursachte Schlammlawinen (sogenannte Lahars) und länger dauernde Ascheregen und Säureniederschläge könnten zu einer sehr großen Gefahr werden. Aus diesem Grund wird der Vulkan rund um die Uhr von der Katastrophenschutzbehörde „Centro Nacional de Prevención de Desastres“ (CENAPRED) überwacht. In Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern werden Pläne ausgearbeitet, die das Vorgehen im Falle eines Ausbruchs festschreiben. Da der Erfolg dieser Pläne aber maßgeblich von der Vorwarnzeit abhängt, kommt es in erster Linie auf die frühe Erkennung einer drohenden Eruption an.

Typischerweise überwachen Experten aktive Vulkankrater visuell und mit Infrarotkameras. Sie erfassen kleine Erdbeben unter dem Vulkan mit Seismographen, die auf und um den Berg herum vergraben sind. Dazu kommen Informationen über die Deformation der Erdoberfläche von hochpräzisen GPS-Empfängern und satellitengestützten Interferometern. Diese Geräte messen Veränderungen in der Laufzeit von Mikrowellen zwischen Satellit und Boden und können dadurch Bodenverformungen von wenigen Millimetern feststellen. Daten über Änderungen der lokalen Schwerkraft werden von Präzisionsgravimetern erfasst, während die chemische Analyse von Gesteinsproben, die am Vulkan gesammelt wurden, Aufschluss über die Abläufe vergangener Eruptionen gibt.

Bereits seit vielen Jahren werden am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg Spurengase in der Atmosphäre mit der Methode der „Differentiellen Optischen Absorptions-Spektroskopie“ (DOAS) gemessen und damit wichtige Entdeckungen in der Atmosphärenchemie gemacht (die Methode wird im Verlauf des Artikels noch detailliert erklärt). In jüngster Zeit ist diese Methode jedoch auch unter Vulkanforschern auf großes Interesse gestoßen. Zusammen mit der „Chalmers University of Technology“ in Göteborg, Schweden, wurden 2001 zum ersten Mal DOAS-Messungen in Vulkanfahnen vorgenommen. Obwohl spektroskopische Messungen von Schwefeldioxid in Vulkanfahnen mit anderen Verfahren schon seit den 1970ern durchgeführt worden waren, erlaubte die neue Methode die Konstruktion viel kleinerer und dadurch handlicherer Instrumente, die zum ersten Mal neben Schwefeldioxid auch eine Vielzahl weiterer Spurengase (zum Beispiel Halogen- und Stickoxide) detektieren konnten.

Im Rahmen des im Jahr 2005 begonnenen EU-Projekts „Network for Observation of Volcanic and Atmospheric Change“ (NOVAC) entwickelten die beteiligten Forscher in Heidelberg und Göteborg diese Technologie nun maßgeblich weiter und machten sie für den dauerhaften Einsatz in extremen Umweltbedingungen am Vulkan nutzbar. Die neuartigen Geräte sind an 25 Vulkanen weltweit installiert. Die gemessenen Daten werden in Echtzeit per Funk zu den jeweiligen Vulkanobservatorien übertragen und als weitere unabhängige Kenngrößen für Risikobewertungen und Ausbruchsvorhersagen genutzt.

Das Prinzip der DOAS-Methode ist relativ simpel. Durch ein kleines Teleskop wird in der Atmosphäre gestreutes Sonnenlicht aus einer bestimmten Richtung gesammelt und einem im selben Gehäuse befindlichen Miniaturspektrographen zugeführt. Das gestreute Himmelslicht, das uns blau erscheint, ist in Wirklichkeit aus einer Vielzahl verschiedener Farben zusammengesetzt. Dazu kommt noch unsichtbare Strahlung, sowohl im ultravioletten als auch im infraroten Wellenlängenbereich. Der Spektrograph zerlegt das Licht in seine verschiedenen spektralen Komponenten und misst so die Intensität, die bei jeder Wellenlänge (bei jeder Farbe im sichtbaren Bereich) auf der Erde ankommt. Wird das durch Motoren verstellbare Teleskop in Richtung Vulkanfahne gehalten, so fällt das gemessene Sonnenlicht durch die vom Vulkan ausgestoßenen Gase. Sie absorbieren das Licht bei für jedes Spurengas charakteristischen Wellenlängen/Farben. Vergleicht man also das Spektrum aus der Vulkanfahne mit einem Spektrum des Hintergrundhimmels, so fällt auf, dass die Lichtintensität bei bestimmten Wellenlängen geschwächt ist. Deren Analyse gibt Aufschluss über die vorhandenen Gase in der Vulkanfahne, während die Stärke der einzelnen Abschwächung ein Maß für die Gaskonzentration in der Vulkanfahne ist.
 

 

Im August des Jahres 2005 wurden am Vulkan Santa Ana in El Salvador plötzlich mehrere Tausend Tonnen SO2 pro Tag gemessen  
Erhöhte Gasemissionen können auf einen bevorstehenden Ausbruch hindeuten. Im August des Jahres 2005 wurden am Vulkan Santa Ana in El Salvador plötzlich mehrere Tausend Tonnen SO2 pro Tag gemessen (rote Balken); die Energie der kleinen Erdbeben unter dem Vulkan nahm deutlich zu (blaue Punkte). Ein stark explosiver Ausbruch, bei dem mehrere Tausend Menschen evakuiert werden mussten, folgte am 1. Oktober.


Mit der DOAS-Methode kann man also präzise Messungen von verschiedenen Spurengasen aus sicherer Entfernung durchführen, typischerweise einige Kilometer vom aktiven Krater entfernt. Voraussetzung ist nur, dass die jeweiligen Gase auch in dem Wellenlängenbereich Licht absorbieren, in dem Himmelslicht zur Verfügung steht (sonst muss eine künstliche Lichtquelle verwenden). In Vulkanfahnen wurden inzwischen mit DOAS neben Schwefeldioxid auch Halogen- und Stickoxide gemessen. SO2 kommt aber eine besondere Stellung zu, da diese Verbindung in großen Mengen ausgestoßen wird und in der Atmosphäre relativ stabil ist. Erst auf Zeitskalen von Stunden bis Tagen reagiert SO2 zu Schwefelsäure, bildet feine Aerosolteilchen oder setzt sich am Boden ab. Daher kann man mit einer Messung, die einige Kilometer vom Vulkan entfernt durchgeführt wird, immer noch die komplette ausgestoßene Menge an Schwefeldioxid erfassen. Die Emissionsrate von SO2 wird dadurch bestimmt, dass zunächst die Gesamtmenge der Substanz in einem Querschnitt der Fahne senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gemessen und diese dann mit der Windgeschwindigkeit multipliziert wird. Die Emissionsrate gibt an, wie viel SO2 pro Sekunde, Tag oder Jahr ausgestoßen wird.

Natürlich steckt der Teufel im Detail, und ein Detail ist die Bestimmung der Windgeschwindigkeit. In der Vergangenheit wurden oft Windmessungen am Boden oder am Kraterrand durchgeführt. Sie erwiesen sich aber als aufwendig, ungenau und manchmal sogar gefährlich, und die erhaltenen Daten waren nur bedingt repräsentativ für die tatsächlich in der Fahne herrschende Windrichtung und Geschwindigkeit. Die DOAS-Geräte ermöglichten jedoch einen neuen Messansatz, der sich als deutlich genauer erwiesen hat.

Bei der sogenannten Korrelationsmethode werden zwei windabwärts gelegene Blickrichtungen im schnellen Wechsel beobachtet. Da die Vulkanfahne nicht homogen durchmischt ist und die Gase eher ungleichmäßig verteilt sind, ergibt sich für jede der Blickrichtungen eine strukturierte Zeitreihe. Jedes Mal, wenn eine Wolke mit erhöhter SO2-Konzentration vorbeizieht, meldet erst das eine, kurze Zeit später das andere Gerät ein Maximum. Der Zeitversatz entspricht genau der Zeit, die die Vulkanfahne benötigt, um von der einen Blickrichtung zur anderen zu gelangen. Da man den Winkel zwischen den Blickrichtungen und den Abstand zur Vulkanfahne kennt, weiß man auch den Abstand der zwei Blickrichtungen voneinander in der Fahne. Die Windgeschwindigkeit ergibt sich demnach aus dem Quotienten von Abstand und Zeitversatz.
 

Viele Vulkane des Messnetzes befinden sich in abgelegenen Regionen, beispielsweise der Vulkan San Cristobal in Nicaragua  
Viele Vulkane des Messnetzes befinden sich in abgelegenen Regionen, beispielsweise der Vulkan San Cristobal in Nicaragua


Das NOVAC-Projekt erzielte schon kurze Zeit nach seinem Beginn seinen ersten Erfolg. In der ersten Hälfte des Jahres 2005 wurde die SO2-Emissionsrate am Santa Ana-Vulkan in El Salvador nur sporadisch gemessen – wenige hundert Tonnen Schwefeldioxid am Tag. Als die ständige Überwachung dann im August begann, stellte man fest, dass die Emissionsrate um das Zehnfache gestiegen war. Zusammen mit einer erhöhten seismischen Aktivität wiesen die Messungen also auf deutlich veränderte Gegebenheiten im Inneren des Vulkans hin. Magma im Erdinneren war nun plötzlich in der Lage, gelösten Schwefel zu entgasen. Der örtliche Katastrophenschutz „Servicio Nacional de Estudios Territoriales de El Salvador“ (SNET) warnte aufgrund dieser Messungen vor einem deutlich erhöhten Ausbruchsrisiko.

Am 30. September 2005 wurden etwa 30 Familien aus nahe gelegenen Dörfern evakuiert, nachdem massive, dunkle, schwefelhaltige Rauchwolken über dem Krater zu sehen waren. Bereits am nächsten Tag begann ein mehrere Wochen andauernder Ausbruch des seit 1904 schlummernden Vulkans, und mehrere Tausend Menschen wurden evakuiert. Am Ende forderte der Ausbruch zwei menschliche Opfer. Dennoch galt die Evakuierung als Erfolg, denn Tausende konnten rechtzeitig in Sicherheit gebracht werden.

Natürlich kündigen sich nicht alle Vulkanausbrüche auf diese Art im Voraus an. Im Gegenteil, ein solch deutlicher Anstieg der SO2-Emissionen im Vorfeld einer Eruption ist eher die Ausnahme. Oft schießen die Gasemissionsflüsse erst während des Ausbruchs selbst in die Höhe. Aber es gibt auch andere Ansätze zur Erforschung der Prozesse im Erdinneren. Entscheidend ist neben der Gesamtgasmenge, die täglich in die Atmosphäre geblasen wird, auch die Zusammensetzung der Emissionen. Da es mit der DOAS-Methode möglich ist, mehrere verschiedene Spurengase gleichzeitig zu erfassen, können die relativen Mengen der einzelnen Komponenten bestimmt werden. Die Konzentrationsverhältnisse in der Vulkanfahne werden einerseits durch chemische Prozesse beeinflusst, die in der Atmosphäre stattfinden, andererseits hängen sie aber auch von den im Erdinneren herrschenden Bedingungen ab.

So glaubt man zum Beispiel heute, dass Halogene in heißem Magma deutlich löslicher sind als Schwefel. Findet eine Ausgasung in großer Tiefe (also bei hohem äußeren Druck) statt, so wird neben Wasserdampf und CO2 hauptsächlich Schwefel entweichen, und man wird an der Oberfläche ein niedriges Verhältnis der Halogene zu Schwefel beobachten. Gelangt aber das teilentgaste Magma nun näher an die Erdoberfläche, so können bei niedrigerem Druck die Halogene auch in größerer Menge entweichen, was ein erhöhtes Halogene- zu Schwefel-Verhältnis in den Emissionen zur Folge hätte. Obwohl dieses simple Modell nur unter speziellen Bedingungen Gültigkeit besitzt, illustriert das Beispiel, wie die Gaszusammensetzung dazu benutzt werden kann, an Information über Prozesse im Erdinneren zu gelangen. Deshalb kann man Vulkangasemissionen auch als „Telegramme aus der Tiefe“ ansehen, die uns auf indirekte Art mitteilen, was tief unter der Erdoberfläche vor sich geht. Die Kunst ist es nun, diese verschlüsselten Nachrichten zu entziffern.

Am Popocatéptl ist die Lage momentan verhältnismäßig ruhig. Dennoch werden jeden Tag mehrere Tausend Tonnen Schwefeldioxid emittiert, wie das NOVAC-Messnetz meldet. Auch Halogenoxide werden in den aufsteigenden Gaswolken gemessen, aber die Interpretation dieser Daten ist komplex und gehört noch nicht zu den Standardwerkzeugen der Vulkanologen am CENAPRED. Dazu ist die Datenlage noch nicht ausreichend, es sind noch nicht genügend Erfahrungen an verschiedenen Vulkanen in unterschiedlichen Aktivitätsphasen gesammelt worden. Aber dieser Weg ist bereits eingeschlagen, denn an den 25 Vulkanen des NOVAC-Projekts wurden inzwischen über 50 Millionen Spektren aufgenommen und in der NOVAC-Datenbank gespeichert. In Kooperation mit Geowissenschaftlern aus den verschiedensten Bereichen und aus aller Welt werden die gewonnenen Erkenntnisse nun zu einem großen Bild zusammengefügt mit dem Ziel, ein grundlegenderes Verständnis von vulkanologischen Prozessen zu erlangen. Nur so besteht die Aussicht, in Zukunft zuverlässige Ausbruchsvorhersagen treffen zu können. Für die 20 Millionen Einwohner von Mexico City könnte sich das womöglich als lebenswichtig erweisen.
 

 

Dr. Christoph Kern  

Dr. Christoph Kern arbeitet seit 2005 am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg an der Entwicklung, Installation und Auswertung von DOAS-basierten Vulkangasmessungen im Rahmen des Projekts NOVAC. Für seine im Jahr 2009 fertig gestellte Dissertation mit dem Titel „UV-Spectroscopic Measurements of Volcanic Gas Emissions“ erhielt er den Umweltpreis der Viktor und Sigrid Dulger Stiftung für herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Umweltforschung.

Kontakt: ckern@iup.uni-heidelberg.de

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Ulrich Platt  

Prof. Dr. Ulrich Platt wurde im Jahr 1977 in Physik an der Universität Heidelberg promoviert. Während seines anschließenden Aufenthalts am Forschungszentrum Jülich entwickelte er maßgeblich die Methode der Differentiellen Optischen Absorptionsspektroskopie (DOAS). Nach einem zweijährigen Forschungsaufenthalt an der University of Riverside, California, wurde er 1989 als Professor für Experimentalphysik an die Universität Heidelberg berufen. In seiner Funktion als Direktor des Instituts für Umweltphysik leitet er heute eine Vielzahl verschiedener Forschungsprojekte, die sich mit dem tiefgreifenden physikalischen Verständnis unserer Umwelt auseinandersetzen.

Kontakt: uplatt@iup.uni-heidelberg.de

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Letzte Änderung: 11.07.2014