Was sind Vulkane?
Vulkane: Feuerspeiende Drachen, brodelndes Gestein und viel Dampf
Wenn teilweise oder vollständig geschmolzenes Gestein aus den tieferen Bereichen der Erdkruste und dem Erdmantel, Magma, an die Erdoberfläche gelangt, entstehen Vulkane. Sie können tief unten im Meer liegen, sich an Land zu massiven Bergen auftürmen, weithin sichtbar Asche spucken oder leise vor sich hin brodeln. Ihre Erscheinungsformen sind vielfältig, und das Wissen über sie ist begrenzt. Zwar kann man heute recht gut erahnen, welche vulkanischen Aktivitäten die Erde geformt haben – aber das aktuelle Verhalten aktiver Vulkane birgt immer wieder neue Überraschungen.
Dieses Kapitel bietet eine Einführung in die Grundlagen des Vulkanismus. Wie entstehen Vulkane? In welchen Formen werden sie sichtbar? Und welche Phänomene begleiten einen Vulkanausbruch?
Wie entstehen Vulkane?
Vulkane – ein Gruß aus dem Erdinneren
Das Gestein im Inneren unserer Erde ist zu großen Teilen sehr heiß oder gar geschmolzen, und häufig beides. Erst die im Vergleich sehr dünne Erdkruste bildet die feste Oberfläche auf der wir leben. Im wahrsten Sinne des Wortes die solide Grundlage unserer Existenz! Unterhalb der Erdkruste befinden sich der Erdmantel und der Erdkern. Vor allem in den unteren Bereichen der Erdkruste und im oberen Erdmantel finden wir große Mengen aufgeschmolzenes Gestein, das Magma. Dieses Magma steigt an verschiedenen Stellen der Erde in Richtung Oberfläche, und, vereinfacht gesagt, wenn es diese durchbricht entsteht ein Vulkan. Sobald das Magma an die Oberfläche kommt, ändert es seinen Namen: Ab jetzt heißt es Lava.
Wärmefluß im Erdinneren
Die Erdkruste besteht aber nicht aus einer einzigen nahtlosen Fläche, sondern aus einzelnen Platten die sich gegeneinander bewegen, den sogenannten Kontinentalplatten. Die Bewegung dieser Kontinentalplatten nennen wir Kontinentaldrift oder Plattentektonik. Vor allem an den Rändern dieser Platten macht sich das heiße Herz unserer Erde direkt bemerkbar. Wenn man die aus dem Erdinneren an die Oberfläche fließende Wärme misst, ergibt sich eine besondere Art Weltkarte: Rot, also sehr warm, wird es tief unten an den mittelozeanischen Rücken. Viel weniger Wärme kommt auf den soliden mittleren Teilen der Kontinentalplatten an.
Erdbeben und Vulkane
Vergleicht man nun diese Weltkarte mit einer, in der Erdbeben (blau) und aktive Vulkane (rot) eingezeichnet sind, ist die Ähnlichkeit unschwer zu erkennen. Etwa 1900 aktive Vulkane sind hier eingezeichnet, die aus der Epoche des Holozän (etwa den letzten 12000 Jahren) bekannt sind. Ursache der allermeisten Vulkane ist die Plattentektonik: Wo Kontinental- und Ozeanplatten aneinander stoßen, sich übereinander schieben. Neben der Lava werden bei jedem Vulkanausbruch Pyroklastika freigesetzt – vulkanische Lockerprodukte verschiedener Zusammensetzung und unterschiedlicher Größe.
Plattentektonik: Motor des Vulkanismus
Wo finden wir also aktive Vulkane auf der Erde?
- In tektonisch aktive Zonen an den Plattengrenzen: das ist der sogenannte Interplattenvulkanismus, der ca. 90% der Vulkane ausmacht
- Allerdings strömt manchmal auch weit ab der Plattengrenzen Magma an sogenannten „Hot Spots“ zur Oberfläche. Diese Form des Vulkanismus nennen wir Intraplattenvulkanismus. Geschieht dies an Stellen die von Ozeanen bedeckt sind, so bilden sich für uns Taucher:innen besonders spannende Inselketten, die tief aus den Ozeanen emporragen und spannende Ökosysteme hervorbringen können
Immer unter Druck: Was Lava an die Oberfläche treibt
Der Aufstieg von Magma wird wesentlich durch den Auftrieb bestimmt: heißes, geschmolzenes Gestein ist weniger dicht als erstarrter Fels. Insbesondere, wenn der Umgebungsdruck durch den Aufstieg nachlässt, und in der Schmelze gelöste Gase anfangen auszutreten und vielleicht sogar Blasen zu bilden. Dieses Grundprinzip ist uns Taucherinnen und Tauchern natürlich sehr gut bekannt, schliesslich erleben wir bei jedem Tauchgang das Gesetz von Henry, das besagt, dass sich bei höherem Umgebungsdruck mehr Gas in einer Flüssigkeit lösen kann, und das Gesetz von Boyle und Mariotte, das besagt, dass das Volumen eines Gases indirekt proportional dem Umgebungsdruck ist. Vor allem für die Menschen im unmittelbaren Umfeld eines Vulkans ist aber ganz entscheidend, wie genau der Ausbruch verlaufen wird: mit eher harmlos aus Spalten hervorquellender Lava, oder zum Beispiel explosiv und damit leider zerstörerisch, weil zum Beispiel zähflüssiges Magma die Gase einsperrt, bis sie sich schlagartig einen Weg suchen? Und wie lange wird der Ausbruch wohl andauern?
Für diese Fragen sind mehrere Aspekte entscheidend:
1.: Wie viel Magma kann eruptiert werden?
2.: Wie groß ist der Gehalt an flüchtigen Stoffen im Magma?
3.: Wie zäh ist das Magma?
4.: Finden Mischungsprozesse z.B. mit älteren Magmen oder (flüssigem) Wasser statt, die teilweise sehr heftig verlaufen können?
Vulkanische Phänomene
Es war bereits um die erste Stunde des Tages und der Tag kam zögerlich, fast schläfrig herauf. Die umliegenden Gebäude schwankten stark und obwohl wir uns auf freiem, wenn auch beschränkten, Raum befanden, fürchteten wir, dass die Gebäude einstürzten könnten. Nun schien es uns ratsam, die Stadt zu verlassen. Eine verängstigte Menschenmenge folgt uns und lässt sich, was sich in der Panik als Klugheit fast sich ausmacht, vielmehr von fremden Rat als seinem eigenen leiten.
Als wir die Gebäude hinter uns hatten, blieben wir stehen. Auch hier geschah allerlei Sonderbares und Verwunderliches: die Wagen, die wir hatten hinausbringen lassen, bewegten sich hin und her, obwohl sie auf ganz ebenem Gelände standen und blieben auch nicht auf der Stelle, wenn wir Steine unterlegten. Das Meer zog sich zurück und wurde von der Erdstößen zurückgedrängt, jedenfalls sahen wir allerlei Meeresgetier auf trockenem Sande festgesetzt.
Auf der anderen Seite eine schwarze Wolke, kreuz und quer durchsetzt von zuckenden Schlangenlinien, die wie Blitze aussahen aber größer waren. (…) Bald darauf legt sich die Wolke auf die Erde hinab und bedeckt die See, hatte Capri eingehüllt und des Kap von Misenum unsichtbar gemacht.
aus dem zweiten Brief Plinius des Jüngeren an Tacitus
Jeder Vulkan spuckt anders: Arten von Eruptionen
Wie aber läuft ein Vulkanausbruch eigentlich genau ab, und wie kommt es zu so spektakulären Naturphänomenen wie denen die Plinius beschreibt? Und wie können wir Vulkane besser verstehen? Das sind wichtige Fragen, denn erst durch Verständnis unserer Umwelt entsteht sowohl beim Tauchen wie auch in der Vulkanologie die Möglichkeit zum sicheren Handeln.
Wie zu Anfang des Kapitels bereits erwähnt, gelangt bei einem Vulkanausbruch Magma aus einer oder mehreren Magmakammern über Schlote an die Oberfläche. Das Austreten des glutflüssigen Materials, das wir dann Lava nennen, können wir manchmal ganz direkt beobachten, zum Beispiel als Lavafontäne, als mehr oder weniger dünnflüssigen Lavastrom, oder bei sehr zähen und vergleichsweise kühlen Laven durch die Aufwölbung einer kuppelartigen Struktur über dem Schlot, eines sogenannten Lavadoms. Aber die Eruption von flüssiger Lava macht nur einen Teil der vulkanischen Phänomene aus. Manche Vulkane produzieren auch große Mengen von lockerem Auswurfmaterial – beim Ausbruch zerrissene und dann abgekühlte Lava, das sogenannte Tephra – ganz verschiedener Größen, von winzigen Aschepartikeln bis zu hausgroßen Brocken. Wenn sich große Mengen Asche in der näheren oder weiteren Umgebung des Ausbruchs ablagern, können sich bei nachfolgenden Regenfällen regelrechte Schlammströme aus Vulkanasche und Wasser bilden, die man Lahare nennt. Besonders spektakulär, aber auch zerstörerisch, können Wolken aus glutheisser Asche und größeren Brocken sein, die pyroklastischen Ströme, die sich bei manchen Ausbrüchen mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert Kilometern pro Stunde die Hänge hinab wälzen.
Manchmal kommt es auch zu Kontakt von heissem Gestein oder sogar Magma mit Grund- oder Oberflächenwasser. Durch das Verdampfen von Wasser, den schnellen Übergang von Wärme aus dem Magma an das Wasser, und die durch Bildung von Rissen immer effektivere Mischung der beiden ungleichen Partner kann dann ein hoher Druck entstehen, der sich in sogenannten phreatischen (bei Kontakt von Wasser mit erhitztem Gestein) bzw. phreatomagmatischen (bei Kontakt von Wasser direkt mit dem Magma) Explosionen entladen kann.
Bei sehr heftigen Vulkanausbrüchen können große Mengen Asche und vulkanische Gase in die Atmosphäre gelangen und sich über weite Teile der Welt verteilen.
Natürlich zeigen die aller meisten Vulkane aber nur einen Teil dieser Phänomene, und in ganz verschiedener Stärke. Diese Vielfalt und Verschiedenheit macht einen großen Teil der Faszination dieser “Feuerberge” aus.
Wie kann man Vulkane kategorisieren?
Grundsätzlich kann man die Stärke von Vulkanausbrüchen nach verschiedenen Kategorien sortieren: Wie viel Lava tritt aus, bzw. wie viel Tephra, also lockeres Material, wird ausgespuckt? Das misst man in m³ und km³, und diese Kennzahl ergibt den VEI, den Volcanic Explosivity Index. Dieser wurde entwickelt, um historisch mehr oder weniger gut untersuchte Ausbrüche klassifizieren zu können. Auch die maximal erreichte Höhe der Eruptionswolke wird hierbei manchmal herangezogen. Zur Einordnung der Konsequenzen von aktuell laufenden Eruptionen kann der VEI aber bestenfalls ein Anhaltspunkt sein.
Denn: mit der Menge an bisher insgesamt eruptiertem Material ist noch nichts darüber gesagt, welche Zerstörung ein Vulkan anrichten wird und welche Schäden er noch anrichten könnte. Ein kleiner, eher harmloser Vulkan, der lange aktiv ist, kann in Summe natürlich viel Material fördern und so in einen höheren Index geraten, obwohl der Ausbruch vergleichsweise wenig Schaden anrichtet, unter anderem weil die Bewohner:innen der Umgebung genügend Zeit haben um Schutzmaßnahmen zu ergreifen.
Deshalb gibt es weitere Klassifizierungsmöglichkeiten. Der VPI, der Volcano Population Index, gibt an, wie viele Menschen in dem Bereich leben, in dem ein Ausbruch für sie gefährlich wäre. Dieser ist vor allem relevant, um die Gefährlichkeit heute aktiver Vulkane zu beurteilen.
Der Trübungsindex gibt Hinweise darauf, wie weit feine Aschepartikel und Gase in die Atmosphäre gelangen und so das Wetter oder gar Klima beeinflussen können. Manchmal wird es nach Vulkanausbrüchen durch die Asche die das Sonnenlicht abblockt in einem weiten Umkreis dunkel und trübe. Schwefeldioxid, ein häufiges vulkanisches Gas, kann sich mit Wasserdampf zu feinen Tropfen aus Schwefelsäure verbinden. Bei heftigen Vulkanausbrüchen gelangen solche Schwefelsäure-Tröpfchen bis in die Stratosphäre, und reflektieren einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung. Die größten Ausbrüche des 20. Jahrhunderts haben so über jeweils Monate und Jahre zu einem kleinen aber messbaren Absinken der globalen Durchschnittstemperatur geführt. Ein weltweiter Effekt von Vulkanausbrüchen, der aber in seinem Ausmass insgesamt weit hinter der menschengemachten Erwärmung des Erdklimas zurücksteht.
Und um einen Ausbruch plastisch zu beschreiben, greift man häufig auch auf Eigennamen der Ausbruchstypen zurück – Hawaiianisch, Strombolianisch, Peleanisch und Plinianisch. Diese Namen kommen von denjenigen, die einen solchen Ausbruch zuerst beschrieben haben, oder von Orten und Vulkanen an denen sie häufig zu beobachten sind.
Die größten Vulkanausbrüche, die mit kilometerhohen Aschewolken und heftigen Explosionen einhergehen, nennt man Plinianisch. Sie sind vergleichsweise selten, aber ihr Auftreten hat oft weitreichende Konsequenzen. Einer der bisher letzten derart heftigen Ausbrüche fand 1991 auf den Philippinen am Pinatubo statt.
Etwas kleiner, aber auch beeindruckend, sind die Peleanischen Eruptionen. Diese sind benannt nach dem Vulkan Pelee auf Martinique, der im Jahr 1902 die ganze Stadt St. Pierre ausradierte. Auch eine solche Eruption ist gewaltig, zeichnet sich aber vor allem dadurch aus, dass der Vulkan eine heiße Aschelawine erzeugt. Das Magma ist sehr dickflüssig und dunkel und erstarrt schnell, so dass sich Pfropfen bilden und das nachdrückende Magma einen neuen Weg nach oben an der Bergflanke sucht, was dann zu der seitwärts und hangabwärts gerichteten Lawine führen kann.
Vulkanianische Eruptionen sind ebenfalls etwas kleiner als die Plinianischen Ausbrüche, und nach der italienischen Insel Vulcano benannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass zu Beginn die Reste vorheriger Ausbrüche explosionsartig aus dem Krater gesprengt werden, und erst danach das frische Magma nachfließt.
Als Strombolianische Eruptionen bezeichnet man leicht explosive Vulkanausbrüche, die Magma fördern das immer noch recht schnell kleinere oder auch mal größere Pfropfen bildet. Dieses verstopft ihnen immer wieder den Schlot, der dann mit einer moderaten Explosion freigesprengt wird. Wie der namensgebende Vulkan Stromboli sind sie häufig über lange Zeiten aktiv, fördern aber nur vergleichsweise geringe Mengen, und sind manchmal — mit gebührendem Sicherheitsabstand — regelrechte Touristenattraktionen.
Bei den Hawaiianischen Eruptionen fließt dünnflüssiges Magma beständig bergab, oft über mehrere Monate und Jahre.
Was am Rande einer Eruption alles zu sehen ist
Bei einem Vulkanausbruch kommt es bisweilen zu einem rätselhaften Phänomen: in und um die Aschewolken treten plötzlich Blitze auf.
Diese werden meist direkt um schnell aufsteigende Asche herum beobachtet: Mit einer sehr hohen Geschwindigkeit werden aus dem Schlot Aschepartikel weit in die Atmosphäre geblasen. Eine Theorie besagt, dass sich die Aschekörnchen aneinander reiben und so eine elektrische Spannung entsteht, die sich in den Blitzen entlädt. Je feiner die Asche, um so wahrscheinlicher entstehen Blitze.
Baut sich im Inneren eines Vulkans großer Druck auf, so kann er sich in Form einer regelrechten Explosion schlagartig entladen. Die Druckwellen dieser Explosionen sind in manchen Fällen nicht nur über weite Distanzen zu hören, sondern können auch die Dichte der Luft bei ihrem Durchgang ändern und so direkt beobachtet werden. Ein Beispiel einer solchen Explosion, bei der die atmosphärischen Druckwellen sogar weltweit nachweisbar waren, ist der Ausbruch des unterseeischen Hunga Tonga-Hunga Haʻapai Vulkans im pazifischen Inselstaat Tonga am 15.01.2022.
Vulkanische Landschaften
Vulkane treten in sehr vielfältigen unterschiedlichen Erscheinungsformen auf. Grundsätzlich kann das Magma entweder in einer Spalte austreten und einen Spaltenvulkan bilden, was häufig entlang der mittelozeanischen Rücken passiert. Oder die Lava kommt in einem Zentralvulkan an einer Stelle hervor. Diese Einteilung anhand der Art der Magmazufuhr gibt aber noch keinen Aufschluß darüber, wie die Vulkane aussehen. Dafür ist es sinnvoller, die verschiedenen Formen anzuschauen, die Vulkane annehmen.
Die hohen, dunklen Berge der Stratovulkane neigen wegen der Zähflüssigkeit ihrer Magmen zu teilweise heftigen explosiven Eruptionen. Dennoch leben weltweit Millionen Menschen in teilweise enger Nachbarschaft zu Stratovulkanen.
Die Aschekegel, die sich auftürmen, und die auch so schön wie ein Vulkan aus dem Bilderbuch aussehen, heißen Schlackenvulkane. Sie entstehen durch die ausgespuckten Pyroklastika, die sich auftürmen und einen steilen Kegel aus Lavabrocken und Asche formen. Oben entsteht ein runder Krater, der während eines Ausbuchs immer wieder teilweise einstürzt und sich neu aufbaut. Sie stehen meist nicht alleine, sondern z.B. als Flankenvulkane an den Hängen von Schichtvulkanen.
