Definieren der Eigenschaften von Asche zur Vorhersage und Analyse von Vulkanausbrüchen

Eine bahnbrechende EU-finanzierte Studie klärt wesentliche Details über vulkanische Asche, um allgemeinere Erkenntnisse zum Vulkanverhalten zu offenbaren.

Grundlagenforschung

Weltweit gibt es über 1 000 potenziell aktive Vulkane. Neben den unmittelbaren Folgen von Lavaströmen und pyroklastischen Strömen in der Umgebung eines Vulkans können sich auch die Aschewolken weit ausbreiten – sogar weltweit. Das kann zu erheblichen Störungen des Luftverkehrs führen, nach der Ablagerung die Infrastruktur sowie landwirtschaftliche Nutzflächen beschädigen und sich auf die Atemwegsgesundheit der Menschen auswirken. Ein besseres Verständnis des Vulkanverhaltens bei Ausbrüchen kann politische Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger dabei unterstützen, Maßnahmen zur Vorbereitung und Schadensminderung zu ergreifen. „Das Hauptziel des AVAST-Projekts sind verbesserte Prognosen der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Asche, die bei Vulkanausbrüchen freigesetzt wird. Diese Daten können dann benutzt werden, um Vorhersagemodelle für die Ausbreitung vulkanischer Asche zu kalibrieren und die gefährlichen Auswirkungen von Ascheniederschlägen einzuschätzen“, so Adrian Hornby, Postdoktorand im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms an der Ludwig-Maximilians-Universität München und wissenschaftlicher Koordinator von AVAST. AVAST wendete hochmoderne Technologien an, um Asche genauestens zu analysieren und zu kategorisieren. „Die Asche kann uns einen Teil der Geschichte verraten, wie die Verformung von Vulkanen letztendlich in Fragmentierung und Ascheausstoß mündet. Sie offenbart, wie die Aschewolke sich ausbreitet. Dies hat bedeutsame Folgen für die Luftfahrt und Gefahren aufgrund von Ascheniederschlägen“, erklärt Hornby.

Die Geschichte der Asche

Asche entsteht, wenn Magma und Lava fragmentieren, entweder innerhalb des Vulkanschlots oder in gefährlichen schwerkraftgetriebenen Strömen, sogenannten pyroklastischen Strömen – schnell fließende Ströme vulkanischer Materie mit hoher Dichte und siedend heißer Gase. „Bei diesem Fragmentierungsvorgang entwickeln sich verschiedene Partikeleigenschaften, da das vulkanische Material je nach Art der Belastung verschiedene Bruchmuster bildet“, fügt Hornby hinzu. Das bedeutet, dass Aschepartikel sehr verschiedene Größen- und Gestaltverteilungen aufweisen können und auch die Art und Weise, wie vulkanische Mineralien in den Aschepartikeln verteilt sind, hängt davon ab, wie die Partikel entstanden. Alle diese Eigenschaften können untersucht werden und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehr über das Vulkanverhalten verraten. Solche Erkenntnisse sind besonders wertvoll, da man Ausbrüche nicht immer unmittelbar beobachten kann. „Zwar kann man anhand der Aschepartikel nicht direkt vorhersagen, wann es zu Vulkanausbrüchen kommen könnte, sie können aber dazu beitragen, die Aktivitäten von Vulkanen festzustellen. Ein besseres Verständnis in diesem Bereich kann uns Einblicke in verborgene Vorgänge verschaffen, bei denen Asche entsteht, und uns dabei helfen, vulkanische Unruhen besser zu verstehen“, erklärt Hornby.

Informationsströme

Indem das Forschungsteam natürliche Asche mit Asche verglich, die durch Fragmentierungsexperimente im Labor hergestellt wurde, offenbarten sich einige universelle Muster unabhängig des vulkanischen Ursprungs und des Fragmentierungsvorgangs. „Bestimmte Mineralien in vulkanischer Asche sind bruchanfälliger und daher immer häufiger auf der Aschenoberfläche vertreten. Daraus folgen veränderte Reaktivitätseigenschaften der Asche mit der Umwelt und der Atmosphäre“, so Hornby. Durch Experimente offenbarte das Team, dass Asche aus pyroklastischen Strömen besonders feinkörnig ist und dass bis zu 50 % der Masse eines pyroklastischen Stroms im Laufe einer Transportstrecke von sechs Kilometern in Asche umgewandelt werden können.

Fortgeschrittene Schulung

Die Unterstützung der EU ermöglichte dem Projekt, Ergebnisse aus Feldbeobachtungen, Laborexperimenten und natürlichen Ereignissen zusammenzubringen. Fortgeschrittene Schulungen, einschließlich zur QEMSCAN-Technologie (Elektronenmikroskopie), weiteten das Fachwissen des AVAST-Teams aus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben vor ins Labor und zu Feldbeobachtungen zurückzukehren, um die Entstehungsvorgänge von Asche in pyroklastischen Strömen nachzubilden. Ein abschließendes Diagramm, das die Korrelation zwischen den Eigenschaften der Asche und den Fragmentierungsvorgängen zeigt, wird in Kürze veröffentlicht werden.

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