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Vulkanausbruch
Das schmelzende Gestein dehnt sich aus, Magmakammern entstehen. Die entstehenden Gase erhöhen mit der Zeit den Druck innerhalb der flüssigen Masse; das Magma …
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Grundprinzip und Bedeutung
Ein Vulkanausbruch, auch Eruption genannt, ist die bekannteste Form des Vulkanismus. Dabei entleeren sich eine oder mehrere Magmakammern eines Vulkans, oder Magma steigt durch Spalten und Bruchstellen direkt aus dem Erdmantel auf. In etwa 100 km Tiefe herrschen Temperaturen von 1000 bis 1300 °C. Dort schmilzt Gestein, dehnt sich aus und kann Magmakammern bilden. Gase erhöhen allmählich den Druck in der flüssigen Masse. Das Magma steigt auf; überschreitet der Druck einen kritischen Wert, kommt es zum Ausbruch.
Eine Eruption kann durch Ruhezeiten unterbrochen sein und aus mehreren Phasen bestehen. Manche Ausbrüche, etwa an Schildvulkanen, dauern Monate, Jahrzehnte oder noch länger. Zusammengehörige Eruptionsphasen besitzen einen spezifischen chemischen Fingerabdruck. Er lässt sich durch Laboranalysen der Auswurfprodukte erkennen und verweist auf eine zeitlich und räumlich begrenzte Magmaquelle.
Nach Angaben der Geologin Elizabeth Cottrell vom Vulkanüberwachungsprogramm der Smithsonian Institution eruptieren an der Erdoberfläche durchschnittlich etwa 70 Vulkane pro Jahr. Zu jedem Zeitpunkt sind 20 bis 30 Eruptionen im Gange. Die größtenteils noch unbekannten Vulkane am Meeresgrund sind dabei nicht mitgezählt.
Explosive und effusive Ausbrüche
Nach ihren Produkten lassen sich Eruptionen vor allem in explosive und effusive Ausbrüche einteilen.
Explosive Eruptionen erzeugen hauptsächlich Tephra, also nicht verfestigtes vulkanisches Auswurfmaterial. Sie können entstehen, wenn Grund- oder Meerwasser über einer Magmakammer überhitzt wird, oder durch die besondere chemische Zusammensetzung eines Magmas. Schlagartig können dabei Gesteinsmassen von mehreren Kubikkilometern in die Luft gesprengt werden. Stürzt bei einer sehr explosiven Eruption die Magmakammer ein, entsteht eine weite, charakteristisch geformte Caldera. Wird sie geflutet, bildet sich ein Kratersee. Beispiele sind die Askja-Eruption von 1875 mit dem See Öskjuvatn und der Ausbruch des Krakatau von 1883. Solche Ereignisse können Flutwellen und Tsunamis verursachen, die noch Tausende Kilometer entfernt wirken.
Bricht das Vulkangebäude ganz oder teilweise zusammen, können heiße Glut- und Aschewolken beziehungsweise pyroklastische Ströme mit großer Geschwindigkeit die Hänge hinabstürzen. Pyroklastische Ströme sind Gemische aus heißen Gasen, Asche und Gestein; sie reißen Material mit und begraben ihre Umgebung. Bei den Ausbrüchen des Vesuv im Jahr 79 und des Mont Pelée 1902 wurden dadurch jeweils Tausende Menschen getötet. Weitere Gefahren sind Lahare: vulkanische Schlammströme, die über viele Kilometer ein bis mehrere Meter hoch werden und Geschwindigkeiten bis 100 km/h erreichen können. Ein Lahar zerstörte 1985 die kolumbianische Stadt Armero. Besonders Stratovulkane des Pazifischen Feuerrings neigen zu explosiven Ausbrüchen, etwa der Mount St. Helens 1980 und der Pinatubo 1991.
Effusive Eruptionen fördern dagegen vor allem flüssige oder halbflüssige Lava. Ihr Magma enthält weniger explosive Gase, ist heißer und dünnflüssiger. Typisch sind Spalten- und Schildvulkane. Lang andauernde Lavaförderung kann sehr flache Vulkankegel aufbauen. Beispiele sind der Skjaldbreiður in Island, die Vulkane Hawaiis und der Piton de la Fournaise auf La Réunion. Zu den Spaltenausbrüchen gehören die Eruptionen der Laki-Krater 1783–1784, der Krafla 1975–1984 und des Bárðarbunga-Spaltensystems 2014–2015. Auch gemischte oder effusive Ausbrüche können beträchtliche, gesundheitsschädliche Mengen vulkanischer Gase freisetzen. In Senken oder Kratern kann sich flüssige Lava außerdem zu einem Lavasee sammeln.
Ausbruchstypen an Land
Plinianische Eruptionen sind außerordentlich explosiv und mit gewaltigen Aschenfällen verbunden. Innerhalb weniger Stunden können einige Kubikkilometer Magma durch die Schlote aufsteigen. Druck und entweichende Gase treiben Material mit bis zu mehreren hundert Metern pro Sekunde empor. Die Eruptionssäule kann bis in die Stratosphäre reichen. Bricht die Aschewolke zusammen, entsteht ein pyroklastischer Strom; der verbleibende Einsturzkrater heißt Caldera. Beispiele sind der Vesuv im Jahr 79, die Hekla 1104, der Mount St. Helens 1980, der Pinatubo 1991 und der Laacher-See-Vulkan.
Bei peleanischen Eruptionen ist das Magma sehr zähflüssig, also hochviskos. Es kann schon beim Aufstieg erhärten und den Hauptschlot als Pfropf verschließen. Gase und vulkanische Fluide weichen dann durch Seitenschlote und Risse aus und brechen unter hohem Druck als Glutwolken seitlich aus den Flanken. Dickflüssige Lava kann Lavadome bilden; kollabieren diese, entstehen pyroklastische Ströme. Namengebend ist das Verhalten des Mont Pelée auf Martinique.
Vulkanianische Eruptionen bestehen aus kurzen, kanonenschussartigen Explosionen mit Stoßwellen. Sie treten einzeln oder in Serien über einige Stunden auf und liegen in ihrer Stärke durchschnittlich zwischen strombolianischen und plinianischen Ausbrüchen. Hochfragmentierte Asche kann in einer Eruptionssäule bis 20 km hoch steigen; vulkanische Bomben können bis zu 5 km entfernt niedergehen. Typisch ist zähes andesitisches bis dacitisches Magma. Ursachen sind eine plötzliche Druckentlastung gasreichen Magmas im oberflächennahen Schlot oder die spontane Freisetzung angesammelter Gase aus einer Magmakammer. Beispiele sind Mount Ngauruhoe, Galeras und Soufrière Hills.
Strombolianische Aktivität bezeichnet den regelmäßigen Auswurf von Lavafetzen, Schlacken und Asche. Am Stromboli treten solche Eruptionen in Abständen von wenigen Minuten bis zu einer Stunde auf. Ursache ist eine Zwei-Phasen-Konvektion: Gasblasen steigen im Schlot auf und reißen beim Zerplatzen Magmafetzen mit. Die entgaste, dadurch dichtere Schmelze sinkt wieder ab, sodass ein Kreislauf entsteht.
Hawaiische Eruptionen fördern sehr dünnflüssige, schnell fließende und gasarme basaltische Lava. Diese enthält meist weniger als 52 % Siliziumdioxid (SiO₂) und ist beim Austritt etwa 1000 bis 1250 °C heiß. Lavafontänen können auf Hawaii bis 500 m hoch werden. Durch Fließgeschwindigkeiten bis 60 km/h entstehen ausgedehnte Schildvulkane mit Böschungswinkeln von nur etwa 5°. Wiederholte Ausbrüche durch dieselben Öffnungen bauen sie über Jahre, Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte auf.
Phreatische Eruptionen sind Wasserdampfexplosionen. Überhitztes externes Wasser verdampft bei plötzlicher Druckentlastung; der Dampf besitzt ungefähr das 1000-fache Volumen des Wassers. Er sprengt einen Krater und zertrümmert vorhandenes Gestein. Ausgeworfen wird nur altes Gestein, kein juveniles, also kein neu aus dem Magma entstandenes Material. Kommt aufsteigendes Magma anschließend unmittelbar mit Grundwasser in Kontakt, können phreatomagmatische Explosionen folgen.
Ausbrüche unter Eis und Wasser
Subglaziale Eruptionen finden unter einem Gletscher statt. Erreicht das Magma die Gletscheroberfläche, verlaufen sie meist explosiv oder phreatisch. Die Hitze schmilzt große Eismengen. Das Gemisch aus Wasser, Eis und Sediment kann als Gletscherlauf in tiefer gelegene Ebenen oder ins Meer strömen. Unter dem Eis entsteht zunächst eine Höhle und häufig ein verborgener See; darunter sammeln sich Kissenlaven, also unter Wasser erstarrte, rundliche Lavaformen. Entleert sich der See und sinkt dadurch der Wasserdruck, kann die Eruption phreatisch oder explosiv werden und große Tephramengen erzeugen. Daraus können Palagonitkegel wie Keilir, Palagonitrücken wie Sveifluháls oder bei längerem Ausbruch Tafelvulkane wie Herðubreið und The Table entstehen.
Surtseyanische Eruptionen beginnen unter der Meeresoberfläche. Zunächst bauen Kissenlaven ein Vulkangebäude auf. Erreicht es die Oberfläche, erzeugt das Zusammentreffen von Magma, Wasser und Luft phreatomagmatische Explosionen mit großen Tephramengen. Sobald kein Wasser mehr in die Schlote eindringen kann, folgt eine effusive Phase, in der Lava den Vulkan weiter aufbaut. Die Insel Surtsey entstand ab 1963 auf diese Weise. Ein entsprechender Ablauf wurde bereits beim Vulcão dos Capelinhos auf Faial detailliert beobachtet: Von September 1957 an wuchs durch phreatomagmatische Eruptionen ein Kegel aus dem Meer; nach einem starken Erdbeben im Mai 1958 folgte eine effusive Serie, die bis Oktober 1958 dauerte.
Submarine Eruptionen bleiben vollständig unter der Meeresoberfläche und treten besonders an mittelozeanischen Rücken auf. Unter dem Wasserdruck entstehen über Schloten und Spalten Berge aus Kissenlava. Erst knapp unter der Oberfläche kann eine explosive, Tephra bildende Phase beginnen. Bei späteren Ausbrüchen kann daraus eine surtseyanische Eruption werden. Obwohl ein Großteil der Vulkane der Erde unter Wasser liegt, sind nur wenige genauer erforscht, darunter der Marsili im Mittelmeer.
Überwachung und Vorhersage
Vulkanausbrüche werden von Vulkanobservatorien sowie geologischen, vulkanologischen und meteorologischen Instituten überwacht. Meteorologische Stellen erfassen teilweise Erdbeben und sagen die Zugrichtung von Aschewolken voraus; diese Vorhersagen sind auch für die Luftraumüberwachung wichtig.
Grundlage jeder Einschätzung ist die Eruptionsgeschichte eines Vulkans. Aus seinem bisherigen Verhalten lassen sich mögliche zukünftige Abläufe und vulkanspezifische Warnzeichen ableiten. Besonders wichtig sind Erdbebenmessungen. Schwarmbeben sind viele kleine Erdbeben, die innerhalb kurzer Zeit in einem begrenzten Gebiet auftreten. Bei Typ-A-Beben schlägt das Seismometer ruckartig aus und beruhigt sich ebenso schnell. Sie zeigen an, dass aufsteigendes Magma hartes Gestein durchbricht. Typ-B-Beben beginnen ebenfalls schnell, klingen aber langsam und gleichmäßig ab; sie weisen auf sehr hohen Druck hin. Wiederholen sie sich in immer kürzeren Abständen, kann ein Ausbruch unmittelbar bevorstehen. Der Galeras brach 1992 vier Tage nach dem ersten Typ-B-Beben aus. Erfasst wird auch vulkanischer Tremor, eine sehr niedrigfrequente Erschütterung.
Geodätische Messungen prüfen, ob sich ein Vulkan aufbläht. GPS, Satelliten und Tiltmeter werden dafür eingesetzt. Ein Tiltmeter misst den Steigungswinkel der Vulkanflanken. Füllt sich die Magmakammer, werden die Flanken etwas steiler, was auf eine bevorstehende Eruption hinweisen kann. Satelliten überwachen auch abgelegene Vulkane, etwa auf den Aleuten oder Kamtschatka, deren Ausbrüche den Flugverkehr gefährden können.
Weitere Hinweise liefern heiße Quellen: Eine Zunahme ihrer Anzahl, Größe oder Aktivität sowie Änderungen der Wassertemperatur können erhöhte vulkanische Aktivität anzeigen. Außerdem werden Ausgasungen und Gewässer auf Zusammensetzung und Menge von Gasen wie Kohlendioxid, Fluor und Schwefeldioxid untersucht. Eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit von Gewässern kann ebenfalls ein Warnzeichen sein.
Erst die gemeinsame Auswertung aller Daten ergibt ein genaueres Bild des aktuellen Zustands. Da jeder Vulkan eigene Merkmale besitzt, müssen die Messwerte mit seiner Eruptionsgeschichte verglichen werden. So lassen sich Zusammenhänge zwischen Erdbeben und Ausbrüchen sowie mögliche Vorwarnzeiten bestimmen. Für die Verhütung von Katastrophen sind neben der Überwachung auch die Aufklärung der Bevölkerung und eine gute Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und örtlichen Behörden entscheidend.
