Vulkan

Definition und Entstehung

Ein Vulkan ist eine geologische Struktur, die entsteht, wenn Magma, also geschmolzenes Gestein, bis an die Oberfläche eines Planeten aufsteigt. Die mit dem Aufstieg und Austritt verbundene Gesamtheit der Erscheinungen heißt Vulkanismus. Bei einer Eruption werden glutflüssige, feste und gasförmige Stoffe freigesetzt.

Auf der Erde schmelzen Gesteine ab etwa 100 km Tiefe bei Temperaturen zwischen 1000 und 1300 °C. Das flüssige Magma sammelt sich in Magmaherden in 2 bis 50 km Tiefe. Wird der Druck zu groß, steigt es durch Spalten und Klüfte der Lithosphäre, der festen äußeren Gesteinshülle der Erde, auf. Magma, das die Erdoberfläche erreicht, wird Lava genannt.

Die meisten Vulkane sind ungefähr kegelförmig. Ihre Hangneigung hängt vor allem von der Viskosität, also der Zähflüssigkeit, der Lava ab. Daneben kommen unregelmäßige oder kuppelförmige Gestalten vor. Der durch vulkanische Tätigkeit entstandene Berg heißt je nach Form Vulkankegel oder Vulkandom. Der Aufstiegskanal ist der Vulkanschlot, seine Öffnung an der Spitze der Vulkankrater. Bricht ein Schlot über einer oberflächennahen Magmakammer zusammen, entsteht ein großer Einbruchskrater, eine Caldera.

Vulkantypen, Magma und Lava

Vulkane lassen sich nach mehreren Merkmalen einteilen: nach ihrer äußeren Form, ihrem Magmenzufuhrsystem, ihrem Auftretensort, ihrer Tätigkeit und ihrem Aktivitätszustand.

Nach der Form unterscheidet man unter anderem Schicht- oder Stratovulkane, Schildvulkane, Schlacken- und Aschenkegel, Lavadome, Maare, Calderas, Tafelvulkane sowie Decken- oder Plateauvulkane. Nach dem Magmenzufuhrsystem gibt es Zentralvulkane und Spaltenvulkane. Nach dem Ort werden subaerische Vulkane an Land oder über Wasser, submarine Vulkane unter Wasser, darunter Seamounts und Guyots, subglaziale Vulkane unter Gletschern sowie extraterrestrische Vulkane auf anderen Himmelskörpern unterschieden.

Die Tätigkeit kann effusiv sein, also durch ruhiges Ausfließen der Lava geprägt, explosiv oder ejektiv, oder eine Mischung aus beiden Formen darstellen. Vulkane mit besonders heftiger explosiver Tätigkeit heißen Supervulkane. Aktive Vulkane sind in Tätigkeit; inaktive oder schlafende Vulkane zeigen keinen aktiven Vulkanismus, könnten aber wieder ausbrechen. Bei erloschenen Vulkanen ist wegen fehlender Magmazufuhr keine Aktivität mehr möglich. Die Grenzen sind nicht immer eindeutig: Viele Vulkane zeigen während einer Eruption oder über Millionen Jahre wechselndes Verhalten, etwa der Ätna. Eine Folge sich steigernder Ausbrüche wird Paroxysmus genannt.

Für die Eigenschaften des Vulkans sind neben Gas- und Wassergehalt besonders die Zusammensetzung des Magmas und sein Gehalt an Siliciumdioxid (SiO₂) entscheidend. Je höher der SiO₂-Gehalt, desto explosiver ist der Vulkanismus. Felsisches Magma enthält mehr als 63 % SiO₂ und bildet typischerweise Rhyolith. Intermediäres Magma enthält 52 bis 63 % und steht für Andesit. Mafisches Magma enthält 45 bis 52 % und bildet Basalt. Ultramafisches Magma enthält weniger als 45 % und ist mit Pikrit verbunden. Diese Magmatypen werden grob dem Aufschmelzen kontinentaler Kruste, Subduktionszonen, mittelozeanischen Rücken beziehungsweise Hotspot- und Rift-Vulkanismus sowie früheren, heute nicht mehr auftretenden Phasen der Geogenese zugeordnet.

Als „rote Vulkane“ werden Vulkane mit rot oder orangegelb glühender, heißer Lava bezeichnet; sie bilden Schildvulkane. „Graue Vulkane“ besitzen eine vergleichsweise niedrige Lavatemperatur und bilden Schichtvulkane. Farbe, Temperatur und chemische Zusammensetzung beeinflussen sowohl die Vulkanform als auch das Ausbruchsverhalten.

Vulkanische Ereignisse und Verteilung

Bei Eruptionen können durch die Mischung vulkanischen Materials mit Wasser oder Luft und durch das plötzliche Austreten von Lava weitere gefährliche Prozesse entstehen. Dazu gehören Lahar, also Schlamm- und Schuttströme, pyroklastische Ströme beziehungsweise Glutlawinen, Base Surges als partikelarme Dichteströme, Glutwolken und Gletscherläufe. Stürzen große Magmamengen oder Teile der Bergflanken ins Meer, können Tsunamis entstehen, die oft größere Höhen erreichen als durch Seebeben ausgelöste Tsunamis. Erdbeben können vor oder nach einem Ausbruch auftreten und sich gegenseitig mit vulkanischer Aktivität beeinflussen. Schlammvulkane gehören dagegen nicht zum Vulkanismus im engeren Sinn; sie werden besser als Schlammdiapire bezeichnet.

Weltweit gibt es heute etwa 1500 aktive Vulkane an der Erdoberfläche. Als aktiv gelten hier Vulkane, die in den letzten 10.000 Jahren ausgebrochen sind. Die Zahl submariner Vulkane ist nicht bekannt und vermutlich vielfach höher. Von den erfassten Vulkanen sind 719 Schichtvulkane, 176 Schildvulkane, 66 komplexe Vulkane, 86 Calderas, 147 einzelne Schlackenkegel, 27 Spaltenvulkane oder Kraterreihen, 19 Maare, 137 submarine Vulkane und 100 Vulkanfelder. Vulkanfelder können jeweils mehrere hundert Einzelvulkane umfassen.

Die Verteilung erklärt sich wesentlich durch die Plattentektonik. An Spreizungszonen driften Erdplatten auseinander. Die Vulkane liegen dort meist auf dem Meeresgrund; das Magma ist basaltisch. An Subduktionszonen wird ozeanische Lithosphäre bei einer Plattenkollision in den Mantel befördert. Wasserhaltige Minerale senken dort die Temperatur des Schmelzbeginns, sodass teilweise Schmelzen entstehen. Das leichtere Magma steigt auf und bildet häufig lagig aufgebaute Schichtvulkane.

Hotspots sind über geologische Zeiträume nahezu ortsfeste Aufschmelzungsbereiche im Erdmantel unter der Lithosphäre. Bewegt sich eine Platte darüber hinweg, entstehen perlenschnurartig aufeinanderfolgende Vulkane. Weltweit gibt es zurzeit etwa 40 eindeutig bestimmte Hotspots. Ein Beispiel sind die Hawaii-Inseln: Hawaiʻi ist als jüngste Vulkaninsel über dem Hotspot 400.000 Jahre alt, während Kauaʻi vor etwa 5,1 Millionen Jahren entstand. Weitere Beispiele in Europa liegen in der Ost- und Westeifel, im Siebengebirge und in der Auvergne; auch unter Island gibt es einen Hotspot.

Vulkanismus kommt auch außerhalb der Erde vor. Spuren erloschenen Vulkanismus gibt es unter anderem auf dem Erdmond und dem Mars. Auf der Venus gibt es wenige Hinweise auf derzeit aktiven Vulkanismus und keine Anzeichen für Plattentektonik. Die vulkanisch aktivste Welt des Sonnensystems ist der Jupitermond Io. Kryovulkane, die statt Gesteinssschmelze vermutlich eisreiche Stoffe ausstoßen, wurden auf Enceladus, Triton, Charon und Ceres nachgewiesen; 2022 wurde auch auf Pluto ein gigantischer Eisvulkan entdeckt. Auf Europa und Titan werden Kryovulkane vermutet.

Vorhersage von Vulkanausbrüchen

Vulkanausbrüche können Menschenleben, Infrastruktur und Wirtschaft einer Region langfristig beeinträchtigen. Deshalb ist es ein wichtiges Forschungsziel, Ausbrüche möglichst genau vorherzusagen. Fehlprognosen können wegen notwendiger Evakuierungen und der Stilllegung des Wirtschaftslebens hohe Kosten verursachen. Kein Vulkan verhält sich jedoch genau wie ein anderer; Beobachtungen zu Ruhephasen oder Erdbeben sind deshalb nur begrenzt übertragbar.

Zur Überwachung werden je nach Eigenschaften des Vulkans fünf Methoden kombiniert:

• Seismometer registrieren Erdbeben und vulkanischen Tremor. Beim Magmaaufstieg entstehen durch Gesteinszerbrechen hochfrequente Beben; die Bewegung von Rissen und Entgasungsprozesse erzeugen niedrigfrequente Signale. Ein Netz empfindlicher Seismometer bestimmt Tiefe und Herd der Beben. Besonders schwache Beben unter Stärke 1 können auf ein Erwachen hindeuten. Am Südwesthang des Ätna wurden in den 12 Stunden vor dem Ausbruch von 1981 etwa 2800 kleinere Erdstöße als Tremor registriert.

• Die geodätische Überwachung erfasst Veränderungen der Geländeform. Aufsteigendes Magma kann Aufbeulungen, Absenkungen, Neigungen, Buckel und Risse verursachen. Dafür dienen Klinometer, Extensometer, elektronische Distanzmessung (EDM), Satellitenmessungen und Satellitenbilder. EDM-Geräte erreichen Reichweiten bis 50 km und Genauigkeiten von wenigen Millimetern. Auch Grundwasserstände sowie Fluss- und Seewasserpegel können sich verändern.

• Gravimeter messen lokale Veränderungen des Schwerefeldes, sogenannte mikrogravimetrische Anomalien, die durch Dichteunterschiede zwischen Magma und Umgebungsgestein entstehen. Magnetometer registrieren lokale, durch die Erwärmung verursachte Änderungen des Magnetfeldes.

• Temperaturmessungen an festen Stationen und Infrarotaufnahmen aus dem All zeigen oberflächennahe thermische Aufheizungen. Das aufsteigende Magma ist etwa 1100 bis 1400 °C heiß.

• Die chemische Analyse vulkanischer Gase untersucht Menge, Temperatur und Zusammensetzung. Wichtige Gase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff. Auch Grundwasser und Quellen werden untersucht, weil austretende Gase sie verunreinigen können. Besonders wichtig sind Helium und Radon: Steigt eine Magmakammer auf, nehmen ihre Gehalte häufig zu. Bei hohem Gasausstoß können bestimmte Gase zudem über ihr Absorptionsspektrum im sichtbaren Licht aus der Ferne bestimmt werden.

Grenzen, Beispiele und weitere Bezüge

Frühwarnsysteme und wissenschaftliche Erkenntnisse können die Unberechenbarkeit von Vulkanausbrüchen verringern, aber nicht vollständig beseitigen. Deshalb gehören Schutzmaßnahmen, Risiko- und Handlungspläne, die Aufklärung der Bevölkerung und gesetzliche Regelungen zur Vorsorge. Auch die Natur einer gefährdeten Region kann beobachtet werden, da Tiere ein Gebiet möglicherweise vor einem Ausbruch verlassen.

Als möglicherweise größter Vulkan der Erde gilt das unterseeische Tamu-Massiv östlich von Japan. Forscher um William Sager untersuchten Gesteinsproben aus höchstens 175 m Tiefe. Das schildförmige Massiv erhebt sich mehrere Kilometer über den Meeresboden und könnte als einzelner Vulkan etwa 650 km lang und 450 km breit sein. Es könnte entstanden sein, als an einer Stelle große Lavamengen austraten und beim Abkühlen flache, weit reichende Hänge bildeten.

Vulkane spielen in vielen Kulturen eine Rolle als Sitze von Göttern. Genannt werden unter anderem Hephaistos in der griechischen Mythologie, Vulcanus in der römischen Mythologie und Pele in Hawaii. Auch in aztekischen und isländischen Vorstellungen sowie in mehreren biblischen Beschreibungen finden sich Bezüge zu Vulkanen. Die Redewendung „Tanz auf dem Vulkan“ bezeichnet aus dem Französischen stammend das Leben in einer explosiven Situation trotz der damit verbundenen Risiken.