Vulkanische Eruptionen variieren zwischen häufigen, kleinen Ausbrüchen, die wenig Auswirkungen auf Menschen und die Umgebung haben, und seltenen, großen bis gigantischen Eruptionen, die so schwer sind, dass sie Zivilisationen bedrohen können.
Wissenschaftler verstehen die Mechanismen, welche kontrollieren, ob eine Eruption groß oder klein ist, noch nicht vollständig. Aber sie wissen, dass Eruptionen durch die schnelle Expansion von Blasen aus Wasser und anderen flüchtigen Substanzen ausgelöst werden, die in geschmolzenem Gestein gefangen sind, welches unter einem Vulkan aufsteigt. Der Mechanismus ist so ähnlich wie beim Schütteln einer Flasche mit kohlensäurehaltigem Inhalt und dem anschließenden Öffnen. Ob der Vulkan oder der Flascheninhalt stark ausbricht oder sein Gas langsam verliert, hängt von den Wechselwirkungen des Blasenwachstums und des Gasverlusts ab. Die Untersuchung der Entstehung und des Wachstums von Blasen und ihrer Auswirkungen auf Magmaeigenschaften liefert daher einen Schlüssel zum Verständnis von vulkanischen Eruptionen und könnte zu besseren Voraussagen ihrer Stärke führen.
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Professor Don R. Baker vom Department of Earth and Planetary Sciences an der McGill University hat in Nature Communications eine neue Studie veröffentlicht, die nahelegt, dass der Unterschied zwischen einer kleinen oder großen Eruption von den ersten zehn Sekunden des Blasenwachstums in dem geschmolzenen Gestein abhängt. Die Ergebnisse deuten auf die Notwendigkeit, Überwachungssysteme zu entwickeln, die schnelle Veränderungen des Gasflusses und der Zusammensetzung im Laufe dieser kurzen, entscheidenden Momente messen können.
Die Forscher untersuchten das Wachstum vulkanischer Blasen in Echtzeit, indem sie an der Swiss Light Source in Villingen (Schweiz) wasserhaltiges, geschmolzenes Gestein mit einem kürzlich entwickelten Laser-System erhitzten. Dort konnten sie dreidimensionale Röntgenmikrotomografie-Aufnahmen (CAT-Scans) der Proben während der ersten 18 Sekunden des Blasenwachstums und der Schaumbildung machen. Mit diesen Bildern waren die Wissenschaftler in der Lage, die Anzahl und die Größe der Blasen zu messen, die Geometrie der Verbindungen zwischen den Blasen zu untersuchen und zu berechnen, wie schnell das Gas aus der Probe strömte und wie die Festigkeit des Schaums abfiel.
Die Forscher fanden heraus, dass anfangs tausende kleiner Blasen pro Kubikzentimeter entstanden und Gas einschlossen, aber dass sie schnell einen Schaum aus größeren Blasen bildeten, dessen Festigkeit rapide abnahm, als die Rate des Gasverlusts anstieg. All diese Veränderungen traten innerhalb der ersten 15 Sekunden des Blasenwachstums auf. Dann bestimmten die Wissenschaftler, welche Bedingungen der Blasenbildung und des Blasenwachstums zu Brüchen im Gestein führten.
Anhand dieser Ergebnisse vermuteten Baker und sein Team, dass sogar geschmolzenes Gestein mit geringen Mengen Wasser das Potenzial hat, vernichtende große Eruptionen hervorzubringen. In den meisten Fällen entkommt das Gas schnell genug, um das Blasenwachstum auszubremsen, was in kleineren Ausbrüchen resultiert, aber bei außergewöhnlichen Blasenexpansionsraten, oder unter Bedingungen, bei denen sich die Blasen nicht vereinigen können, können große Eruptionen die Folge sein.
Die Ergebnisse repräsentieren einen kleinen aber wichtigen Schritt in Richtung des Ziels, den Eruptionstyp vorherzusagen, der in verschiedenen Vulkanregionen der Erde auftreten wird. „Zukünftige Forschungsarbeiten werden sich auf die ersten paar Sekunden des Blasenwachstums und die Auswirkungen von Kristallen auf das Blasenwachstum konzentrieren müssen“, sagte Baker.
Co-Autoren der Studie sind Francesco Brun (Universita‘ degli Studi di Trieste in Italien), Lucia Mancini (Elettra-Sincrotrone Trieste), Cedrick O’Shaughnessy (ein früherer Master-Student an der McGill University), Julie L. Fife (Swiss Light Source am Paul Scherrer Institut) und Mark Rivers (University of Chicago).
Finanzielle Mittel für die Studie wurden vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada und der Swiss Light Source bereitgestellt.
Quelle: http://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/study-advances-understanding-volcanic-eruptions-218558
(THK)
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