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Geowissenschaften

Kopien der Katastrophe

München, 01.12.2015

Jahr für Jahr brechen Dutzende von Vulkanen aus. Donald Dingwell will lernen, wann und wie das geschieht. Deshalb stellt er in seinen Labors die gewaltigen Eruptionen im Kleinen nach.

Eines der Originale: Ausbruch des Eyjafjallajökull (Foto: picture alliance / Westend61)

Ein Vulkanausbruch im Labor, ein Riesenberg, der explodiert, wie soll das gehen? Don Dingwell erinnert sich noch gut an die Zweifel seiner Kollegen, als er anfing, mit Vulkangestein zu experimentieren und Eruptionen im Labor nachzustellen.

„1989 etwa begannen wir mit der Idee und 1993 mit dem Bau der ersten Apparaturen, 1995 lösten wir die erste Explosion aus und im Jahr 1996 gelang der experimentelle Durchbruch“, erinnert sich der Wissenschaftler. International renommierte Fachblätter berichteten über die spektakulären Versuche, Magazine und Tageszeitungen schrieben vom „künstlichen Vulkan im Keller“ des Bayerischen Geoinstituts in Bayreuth, wo der Wissenschaftler damals arbeitete.

Kurz darauf wechselte Dingwell, der in Kanada geboren wurde und studierte, nach München. An der LMU leitet er seither die Sektion für Mineralogie, Petrologie und Geochemie. Aus dem einen künstlichen Vulkan im Keller wurden vier und, so sagt der Geoforscher mit bayerisch-kanadischem Akzent, „Experimente in der Vulkanologie sind heute ebenso selbstverständlich wie in der Biologie, der Chemie oder der Physik.“

Doch wozu das alles? Die Weltkarte, die Dingwell beim Gespräch auf den Bildschirm holt, ist übersät mit schwarzen Punkten. „Jeder einzelne Punkt ist ein aktiver Vulkan“, sagt der Wissenschaftler. „Pro Jahr brechen davon 50 bis 60 aus, viele davon in dicht besiedelten oder landwirtschaftlich genutzten Gebieten.“

Immer häufiger richten solch große Ausbrüche nicht nur im näheren Umkreis eines Vulkans Schäden an, sondern weit darüber hinaus. Die Aschewolken des Eyjafjallajökull auf Island im Jahr 2010 haben zum Beispiel die Gefahren für den globalen Flugverkehr deutlich gemacht. 100.000 Flüge sind ausgefallen, zehn Millionen Passagiere waren betroffen. Die Umsatzausfälle bezifferten die Flugunternehmen mit insgesamt 1,5 bis 2,5 Milliarden Euro. „Die Vorhersage von Vulkanausbrüchen wird also immer wichtiger – und die Einschätzung von dem, was sie bewirken.“

Der kurze gewaltige Moment des Ausbruchs
Viele der besonders gefährlichen Vulkane auf der Welt sind deshalb gespickt mit Messinstrumenten, um bevorstehende Ausbrüche rechtzeitig zu erkennen und davor zu warnen. Denn meistens kündigen die Feuerberge ihre Eruptionen an – durch Erdbeben, durch zunehmende Erdbebenaktivität im Berg, durch den Ausstoß von Gasen oder dadurch, dass sie sich aufblähen. „Die Vulkane senden Signale aus, die Wissenschaftler fangen sie mit ihren Gerätschaften auf und sammeln so eine Menge Daten“, erläutert Dingwell. „Mit der Experimentellen Vulkanologie wollen wir dazu beitragen, diese Signale richtig deuten. Und wir wollen lernen, den Ausbruchsmechanismus, der dahinter steckt, die physikalischen Prozesse kurz vor der Explosion noch im Vulkanschlot sowie während und nach der Explosion, im Detail zu verstehen und vor allem, zu quantifizieren.“

Den Geowissenschaftler und seine Mitarbeiter interessiert also primär der kurze gewaltige Moment des Ausbruchs. Welche physikalischen Prozesse spielen sich ab, in dem Augenblick, wenn das glühende, oft über Tausend Grad Celsius heiße Magma, diese Mischung aus Kristallen, Gasblasen und aufgeschäumter Schmelze schlagartig und mit unvorstellbarer Gewalt aus dem Vulkanschlot herausschießt? Wenn sie dabei in unzählige Partikel zerspratzt, die teilweise Tausende Meter hoch in die Atmosphäre aufsteigen?

Deshalb stellt Dingwell mit seinen Mitarbeitern diesen gewaltigen Moment der Explosion in den Laborvulkanen im Untergeschoss seines Instituts nach. Hier führen die Vulkanologen ihre Experimente durch, unter anderem im Rahmen eines Projektes, das vom Europäischen Forschungsrat gefördert wird. „Was wir hier machen, ist Grundlagenforschung“, erläutert Dingwell. „Wir simulieren Vulkanausbrüche – unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen und mit Gesteinsproben von allen möglichen Vulkanen der Erde, deren Zusammensetzung und Veränderung wir genau analysieren – vor, während und nach den Experimenten.“

Die künstlichen Vulkane sind in einem eigenen Kellerraum untergebracht. Mit den Lava- und Asche spuckenden Bergen in der Natur haben sie vom Aussehen her überhaupt nichts gemein. Trotzdem: Für den Labormaßstab aber ist auch ihre Größe beeindruckend. Ein solcher Laborvulkan besteht aus einem dunkelgrauen Topf aus einer speziellen Stahllegierung, wie sie auch für Gasturbinen und Panzerrohre verwendet wird, um dem enormen dynamischen Druck und den hohen Temperaturen während der Experimente standzuhalten. Mit ihm verbunden ist ein silbergrauer Edelstahlkessel, etwa drei Meter hoch mit dem Volumen von etwa zwei Regentonnen. Beide Zylinder sind übereinander – der dunkelgraue unten, der silbergraue oben – an ein etwa vier Meter hohes Stahlgerüst montiert. Zwischen den beiden Behältern sitzen Berstscheiben, genormte dünne Metallplatten, die während der Explosion durchschossen werden.

Berstscheiben simulieren Magmapfropfen
„In den dunkelgrauen Zylinder unten, in den Autoklav, wird die Gesteinsprobe gesteckt, die wir untersuchen wollen“, erklärt Dingwell, „der große Stahlkessel darüber ist sozusagen die Atmosphäre, dahinein fliegen die Gesteinspartikel während der Explosion.“ Und warum klemmen die Berstscheiben dazwischen? Der Wissenschaftler erklärt deren Funktion an einem Beispiel aus der Natur. „Das Magma in explosiven Vulkanen ist in der Regel sehr zäh“, sagt er. Es verstopft den Schlot wie ein Pfropfen. Dadurch kann sich der enorme Druck aufbauen, während Magma aus dem Erdinnern nachströmt. „Irgendwann“, so Dingwell weiter, „kann der Pfropfen dem enormen Druck im Schlot nicht mehr standhalten und bricht – der Vulkan explodiert.“ Die Berstscheiben simulieren diese Barriere im Vulkanschlot. Sie dienen dazu, den Druck in der Gesteinsprobe, die unter der Hitze schmilzt und aufzuschäumen beginnt, aufrecht zu erhalten und den Versuch kontrolliert und messbar ablaufen zu lassen.

Wie viele Lavaproben von aktiven Vulkanen überall auf der Welt sie hier schon zum Explodieren gebracht haben, kann Don Dingwell nicht sagen. Der Ablauf ist vom Prinzip her immer derselbe. Die Probe kann in dem Autoklav bis zu 900 Grad Celsius erhitzt werden. Gleichzeitig wird Gas eingeleitet, um den nötigen Druck – bis zu 50 Megapascal – zu erzeugen. Die explodierende Schmelze zerplatzt in unzählige Fragmente, die in die großen Stahlkessel hineinkatapultiert, dort aufgefangen und später genau analysiert werden. Der gesamte Prozess, der Druck- und Temperaturverlauf, wird per Computer aufgezeichnet.

Die Versuchsdiagramme allein genügten den Wissenschaftlern auf Dauer nicht. Sie wollten jeden einzelnen Schritt der Explosion sehen, vor allem wie die Aschepartikel aus dem Schlot herausgeschleudert werden. Sie bauten daher einen Glasring – stabil genug, um die Stoßwellen auszuhalten – zwischen Autoklav und Auffangbehälter, also genau dorthin, wo die Fragmente aus dem Autoklaven herausfliegen. Nun konnten sie den Ausbruch des Laborvulkans mit Hilfe einer Highspeed-Kamera aufzeichnen.

Denn die Wissenschaftler wollten die Eruptionswolken, die bei explosiven Ausbrüchen Kilometer hoch in den Himmel steigen, genauer unter die Lupe nehmen – „die Vulkanasche an ihrem Geburtsort und weit darüber hinaus“, so Dingwell. Denn wenn die Aschepartikel „erst mal im System sind, dann können sie mit allen möglichen Sphären agieren – mit der Pedosphäre, also den Böden, der Hydrosphäre, der Atmosphäre und auch der Biosphäre.“ Vulkanasche, die sehr mineralreich ist, kann die Erde düngen, aber auch das Meer – wie zum Beispiel nach dem Ausbruch des Vulkans Kasatochi auf den entlegenen Aleuten-Inseln im Jahr 2008. Dessen eisenhaltige Asche löste im Golf von Alaska eine Algenblüte aus. Die feinen erkalteten Lavapartikel können aber auch, wenn sie von Menschen eingeatmet werden, chronisches Asthma und andere Atemwegserkrankungen verursachen.

Komplettausfall der Triebwerke
Eine besonders gravierende Wirkung entfaltet Vulkanasche in der Atmosphäre. Sie beeinflusst das Klima, in dem sie die Sonne über mehrere Monate abdunkelt, was auf der Erde für Abkühlung sorgt. Die Folge – große historische Ausbrüche belegen das – sind kalte Sommer und Ernteausfälle. Vor allem aber kann Vulkanasche die Luftfahrt gefährden. Sie schmirgelt nicht nur die Außenhaut der Maschinen ab und macht deren Fenster blind. Aschepartikel können die Sensoren für Geschwindigkeit und Höhe verstopfen und so deren Funktion beeinträchtigen. Wenn sie in die heißen Turbinen geraten, dort schmelzen und sich ablagern, verlieren die Triebwerke an Schubkraft. In drei Fällen zwischen den Jahren 1973 und 2000 kam es sogar zu einem kurzzeitigen Komplettausfall aller Triebwerke eines Flugzeugs – zum Beispiel bei einer British Airways-Boeing 747-200, die im Juni 1982 der Eruptionswolke des indonesischen Vulkans Galungung zu nahe kam. Sie sank von 11000 bis in 4000 Metern Höhe ab, konnte aber dort in der dichteren Luft die Triebwerke wieder zünden und auf dem Flughafen von Jakarta sicher notlanden.

„Als wir die ersten Aufnahmen mit der Highspeedkamera machten, mit 10.000 Bildern pro Sekunde, sahen wir immer wieder ganz eigenartige weiße Flecken zwischen den fliegenden Aschepartikeln“, erinnert sich Bettina Scheu, eine enge Mitarbeiterin Dingwells. Diese Flecken entpuppten sich bei näherem Hinsehen als kleine, undeutliche Blitze. „Wir waren elektrisiert“, sagt die Geophysikerin, „ein Seltenheitsfund oder Systematik?“ Die Forscher wiederholten den Versuch, filmten mit bis zu 60.000 Bildern pro Sekunde – und machten eine überraschende Entdeckung: Eine Vielzahl von Blitzen zuckte zu Beginn der Eruption in dem Strahl der Trümmerteilchen auf, direkt oberhalb der Berstscheibe. In der Natur ist das der Ausgang des Vulkanschlots, des sogenannten Vents.

Die Entdeckung sorgt für Furore unter den Vulkanforschern, die von jeher fasziniert sind von den spektakulären Gewittern hoch oben in den Eruptionswolken. Wer sie untersuchen wollte, musste jedoch nahe heran an die tobenden Feuerberge und ihren heißen Auswurf, und das ist lebensgefährlich. Mit der Simulation von Vulkanblitzen im Labor könnte man den Geheimnissen dieses Phänomens auf die Spur kommen.

„Die Ursache für die Blitze direkt über dem Schlotausgang ist allerdings nicht dieselbe wie bei den weithin sichtbaren Blitzen hoch in den Eruptionswolken, die vermutlich aufgrund der Reibung zwischen den Aschepartikeln und der Kollision mit Eispartikeln entstehen“, sagt Dingwell. Ursache für Blitze an der Schlotöffnung ist eine Ladungstrennung. Aufgrund der Verwirbelung unter hohem Druck in einer sehr dichten Partikelwolke werden kleine Partikel zumeist negativ, größere positiv geladen. Die interagieren, reiben sich aneinander – „in der Kombi führt das zu Ladungstrennungen und eben Blitzen“, erklärt Bettina Scheu.

Blitze in der Eruptionswolke
Mit zwei Antennen, die sie noch zusätzlich an dem Schlot ihres Laborvulkans installierten, haben Dingwell und seine Kollegen die elektrischen Entladungen, welche die Blitze verursachten, aufgezeichnet – auch solche, die versteckt im Innern und auf der von der Kamera abgewandten Seite der künstlichen Eruptionswolke aufflammten. Bei ihren vielen Versuchen, die sie mit der Highspeedkamera festhielten, fanden die Wissenschaftler heraus: Je kleiner die ausgeworfenen Aschepartikel, desto mehr Blitze zeigten sich in der künstlichen Eruptionswolke. Das heißt im Umkehrschluss, je mehr Blitze an der Schlotöffung eines explodierenden Vulkans auftreten, desto größer ist der Anteil der besonders feinen Asche, die ausgestoßen wird.

Dieses Ergebnis könnte künftig helfen, die Störung des Flugverkehrs durch einen Vulkanausbruch besser vorherzusagen. Denn es sind die besonders feinen Aschepartikel, die bei heftigen Eruptionen bis 9000 Meter hoch und höher in die Luft getragen werden, also in die Höhen, in denen Flugzeuge fliegen. Und dort verbleiben sie auch, bis ein Regenschauer sie auswäscht und wieder auf die Erde zurückspült.

In diesen Tagen installiert Corrado Cimarelli aus dem Forscherteam um Dingwell, der maßgeblich an den Laborversuchen beteiligt ist, die Highspeedkamera am sehr aktiven Vulkan Sakurajima in Japan. Er will testen, ob sich die Ergebnisse der Blitz-Experimente in der Natur wiederfinden. Kollegen aus den USA und aus Japan überwachen den Feuerberg mit Antennen.

Die Münchner Vulkanologen wollen sich künftig noch stärker mit den Auswirkungen der Vulkanasche in den Eruptionswolken befassen. „Wir untersuchen unter anderem gerade, wie die Aschepartikel mit den Schwefel- und Chlorgasen in der Eruptionswolke interagieren“, sagt Dingwell. Wissenschaftler anderer Disziplinen, zum Beispiel Biologen und Hydrologen, sind bei diesen Forschungen mit dabei. „Für die Experimentelle Vulkanologie sind das wichtige Fragen für die Zukunft. Mit der Vulkanasche jedenfalls haben wir Arbeit für viele Jahre.“
Angelika Jung-Hüttl (Magazin Einsichten 2/2015)

 

Prof. Dr. Donald Bruce Dingwell ist Inhaber des Lehrstuhls für Mineralogie und Petrologie sowie Leiter des Departments für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU. Dingwell, Jahrgang 1958, studierte Geologie und Geophysik an der Memorial University of Newfoundland, Kanada, und promovierte an der University of Alberta, Kanada. Er war Geschäftsführender Mitarbeiter am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth, an der er sich 1992 auch habilitierte, bevor er im Jahre 2000 nach München kam. Der Europäische Forschungsrat (ERC) zeichnete ihn 2009 mit einem hochdotierte Advanced Investigators Grant aus. Von 2011 bis 2013 war Dingwell Generalsekretär des ERC.

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