Prognosen von Vulkaneruptionen Vesuv aus 10'000 Metern Höhe: der Vulkan steht innerhalb der Agglomeration Neapel mit insgesamt gegen drei Millionen Einwohnern. Siedlungen wachsen auch an seinen Flanken (Foto J. Alean) Lernziele 1.) Sie sind in der Lage zu beschreiben, welche geologischen Vorgänge zu einem grossen Vulkanausbruch führen. 2.) Sie können beschreiben und erklären wie man grosse Vulkaneruptionen voraussagen kann. 3.) Sie kennen Beispiele von erfolgreichen Voraussagen, aber auch von Misserfolgen. 4.) Sie können darlegen, weshalb es bei einem drohenden Vulkanausbruch sehr heikel ist, zum richtigen Zeitpunkt Warnungen heraus zu geben und Evakuationen der Bevölkerung anzuordnen. Einleitung Bei einem grossen Vulkanausbruch treten Lava und bedeutende Mengen vulkanischer Gase an die Erdoberfläche und gefährden so die lokale Bevölkerung. Noch im 20. Jahrhundert gab es zwei Vulkankatastrophen mit je über 20'000 Todesopfern! Die gefährdeten Zonen sind vielerorts so gross, dass man die Bewohnerinnen und Bewohner nicht einfach permanent umsiedeln kann (ver- Seite 1
gleiche Titelbild!). Ist es aber möglich, Ausbrüche früh genug vorauszusagen, damit Evakuationen eingeleitet werden können? Aufgabe 1 Im unten stehenden Text «Entstehung eines grossen Vulkanausbruchs» (1. Spalte) wird beschrieben, was vor der Eruption im Vulkaninnern passiert. Anschliessend finden Sie Bildmaterial zu Messgeräten und Phänomenen an der Erdoberfläche. Ihre erste Aufgabe ist es, diese den passenden Textstellen ab Punkt 6.) zuzuordnen (Buchstaben A bis I in Spalte 2). Begründen Sie den jeweiligen Entscheid stichwortartig in Spalte 3. Entstehung eines grossen Vulkanausbruchs Die unten geschilderte Entwicklung kann etwa so bis zum letzten Schritt ablaufen. Der Ablauf kann aber auch bei jedem der einzelnen Schritte wieder zum Stillstand kommen. Es gibt dann natürlich keinen Ausbruch oder zumindest keinen grossen. ACHTUNG! Beschrieben werden die Entwicklungen vor einem grossen Ausbruch eines Vulkans mit einem geschlossenen Schlot, also eines Vulkans, der sich jahrelang ruhig verhielt. Gefährliche Ausbrüche bei Vulkanen mit offenem Schlot, die laufend tätig sind wie Stromboli und Ätna, haben oft keine erkennbaren Vorläufer. Sie lassen sich nicht wie unten beschrieben prognostizieren. Vorgänge im Vulkaninneren Bild Begründung der Bildauswahl 1.) In einigen Kilometern Tiefe ist die Erdkruste so heiss, dass sich das Gestein beinahe am Schmelzpunkt bei den dort herrschenden Druckverhältnissen befindet. Eine geringe Erhöhung der Temperatur (oder die Zufuhr von Wasser, welches den Schmelzpunkt ebenfalls vermindert) kann das Gestein also zum Schmelzen bringen. 2.) Unter manchen Vulkanen befinden sich permanent flüssige Gesteinsmassen, also Magma. Meist ist es nicht ein kompakter Magmaherd, sondern das Magma ist in verzweigten Gangsystemen verteilt. Dennoch bezeichnet man diese Zone als «Magmakammer». 3.) Das Magma enthält verschiedene Gase in gelöster Form (ähnlich wie in einer geschlossenen Mineralwasserflasche mehrere Liter Kohlendioxid gelöst enthalten sind): Es handelt sich vor allem um die Gase Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf. Seite 2
4.) Manchmal wird aus noch grösserer Tiefe, manchmal direkt aus dem Erdmantel, frisches Magma zugeführt. Die Temperatur der Magmakammer steigt. 5.) Dadurch sinkt die spezifische Dichte des Magmas, es wird «leichter» als das Gestein der Umgebung, und es erhält einen Auftrieb (wie ein Stück Holz, das unter Wasser gehalten wird). 6.) Das Magma beginnt sehr langsam aufzusteigen. Das kann es aber nur, wenn es das Gestein oberhalb aufreisst, wenn dort also Klüfte (Gesteinsspalten) geöffnet werden. Dadurch werden Erschütterungen ausgelöst: vulkanische Erdbeben. 7.) Je höher das Magma steigt, desto kleiner wird der Druck. Dadurch sinkt die Löslichkeit der Gase. Es bilden sich Gasblasen. Durch aufgehende Klüfte (Spalten im Gestein) tritt bereits Gas aus dem Vulkan, lange bevor Magma an die Oberfläche gelangt. Je näher das Magma zur die Erdoberfläche gelabt, desto mehr und desto heisseres Gas tritt bei Fumarolen aus. 8.) Das Magma wandert gegen die Erdoberfläche und dringt in den Vulkankegel ein. Dadurch wird der Vulkan angehoben. 9.) Allenfalls dehnt sich der Vulkan sogar seitlich aus (zunächst handelt es sich nur um Millimeterbeträge, später können es Dutzende Meter sein). 10.) Im flüssigen Magma im Innern des Vulkans laufen Druckwellen auf und ab. Diese mehr oder weniger regelmässigen Schwingungen werden auf das Gestein übertragen. Man nennt dies den vulkanischen Tremor. 11.) Das aufsteigende Magma erreicht an irgendeiner Stelle die Erdoberfläche, es kommt zu ersten, oft noch kleinen Ausbrüchen. Die sich rasch ausdehnenden Gase zerfetzen mitgerissene Lava, was zur Bildung und dem Ausstoss der Vulkanasche führt. 12.) Die ersten Ausbrüche vermindern den Druck im Magma, das sich noch weiter unten im Vulkan befindet. Dadurch sinkt die Löslichkeit der gelösten Gase weiter, es bilden sich immer mehr Gasblasen es kommt zu einer Kettenreaktion: Das Gas braucht noch mehr Platz, es drückt noch mehr Magma aus dem Vulkan, der Druck sinkt weiter. Jetzt ist die grosse Haupteruption in vollem Gang. Seite 3
Bildmaterial A) Seismograph: Registriert Bodenerschütterungen. Der Schreibstift hat eben einige Erdbeben aufgezeichnet. Werden mehrere Seismographen kombiniert, kann man auch die räumliche Lage der Erdbebenquellen bestimmen. B) GPS-Messstation: Registriert die absolute Lage des Instruments im Raum auf wenige Millimeter genau. C) Während im Hintergrund bereits erste Ausbrüche stattfinden (Aschewolke!) wird ein Neigungsmesser (Tiltmeter) installiert. Dieser kann die Veränderung der Bodenneigung auf Tausendstel Grad genau bestimmen. Man kann also feststellen, ob die Vulkanflanke steiler wird. D) An der Flanke des Ätna hat sich im Gelände eine Spalte geöffnet. Sie ist an der Strassenmauer besonders gut erkennbar. Seite 4
E) Kleinere Ausbrüche bei einem Vulkan fördern Asche. Sie hat in den letzten Stunden die Autos im Vordergrund verschmutzt. F) Vulkanischer Tremor, aufgenommen auf Stromboli. G) Mit einem Laser-Distanzmessgerät können Strecken über viele Kilometer hinweg auf Millimeter genau bestimmt werden. H) Messung der Temperatur und Zusammensetzung der Gase an einer Fumarole. Die Person trägt einen Atemschutz. I) (Die zwei Bilder oben gehören zusammen) Nach oben gerichtete Öffnung eines COSPEC (Correlation Spectrometer). Damit kann man unter der Eruptionswolke durchfliegen und die Menge des vom Vulkan ausgestossenen Schwefeldioxids bestimmen. Bildquellen: a) United States Geological Service USGS, b) J. Alean und M. Fulle Stromboli online Seite 5
Erfolge Grosse Erfolge verzeichneten die Vulkanologen bei der Vorhersage der Ausbrüche des Mount St. Helens, USA (1980) und des Pinatubo, Philippinen (1991). Im Fall des Pinatubo wären ohne Evakuationen möglicherweise über 100'000 Menschen umgekommen. So starben «nur» wenige hundert. Misserfolge 1976 wurde die gesamte Bevölkerung der Karibikinsel Guadeloupe (Vulkan Soufrière), 72'000 Personen, evakuiert. Vorher hatten zwei konkurrenzierende französische Vulkanologengruppen gegensätzliche Meinungen vertreten: die einen glaubten an einen grossen Ausbruch, die anderen vertraten die Ansicht, dass nach einigen kleinen Eruptionen wieder Ruhe einkehren würde. Diese zweite Gruppe hatte schlussendlich Recht. Vorläufer der Eruption des Nevado del Ruiz in Kolumbien von 1985 veranlassten Vulkanologenteams, den vergletscherten Vulkan (Gefahr von Laharen!) genau zu untersuchen. Es wurden gefährdete Siedlungsgebiete identifiziert und Umsiedlungen empfohlen. Wenige Tage vor der Haupteruption gaben die Vulkanologen mehrfach Warnungen heraus und versuchten die Bevölkerung zu informieren. Die örtlichen Behörden blieben aber skeptisch und unternahmen nichts. Anscheinend verliessen etwa 10'000 Personen auf Eigeninitiative das Gebiet und retteten sich somit selbst. Durch Schlammströme kamen dennoch 25'000 Menschen ums Leben, die ohne weiteres hätten gerettet werden können. Zum Misserfolg führten hier also nicht wissenschaftliche Probleme, sondern politische. Aufgabe 2 Überlegen Sie und halten Sie die Ergebnisse fest: a.) Welche Konsequenzen hätte eine Evakuation für die Bevölkerung in der Region rund um den Vesuv und für den Rest Italiens? b.) Was würde geschehen, falls es in der Folge trotz einer Evakuation nur kleine, unschädliche oder gar keine Ausbrüche gäbe? Seite 6
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Mögliche Lösung Aufgabe 1 6.) Das Magma beginnt sehr langsam aufzusteigen. Das kann es aber nur, wenn es das Gestein oberhalb aufreisst, wenn dort also Klüfte (Gesteinsspalten) geöffnet werden. Dadurch werden Erschütterungen ausgelöst: vulkanische Erdbeben. 7.) Je höher das Magma steigt, desto kleiner wird der Druck. Dadurch sinkt die Löslichkeit der Gase. Es bilden sich Gasblasen. Durch aufgehende Klüfte (Spalten im Gestein) tritt bereits Gas aus dem Vulkan, lange bevor Magma an die Oberfläche gelangt. Je näher das Magma zur die Erdoberfläche gelabt, desto mehr und desto heisseres Gas tritt bei Fumarolen aus. 8.) Das Magma wandert gegen die Erdoberfläche und dringt in den Vulkankegel ein. Dadurch wird der Vulkan angehoben. 9.) Allenfalls dehnt sich der Vulkan sogar seitlich aus (zunächst handelt es sich nur um Millimeterbeträge, später können es Dutzende Meter sein). 10.) Im flüssigen Magma im Innern des Vulkans laufen Druckwellen auf und ab. Diese mehr oder weniger regelmässigen Schwingungen werden auf das Gestein übertragen. Man nennt dies den vulkanischen Tremor. 11.) Das aufsteigende Magma erreicht an irgendeiner Stelle die Erdoberfläche, es kommt zu ersten, oft noch kleinen Ausbrüchen. Die sich rasch ausdehnenden Gase zerfetzen mitgerissene Lava, was zur Bildung und dem Ausstoss der Vulkanasche führt. 12.) Die ersten Ausbrüche vermindern den Druck im Magma, das sich noch weiter unten im Vulkan befindet. Dadurch sinkt die Löslichkeit der gelösten Gase weiter, es bilden sich immer mehr Gasblasen es kommt zu einer Kettenreaktion: Das Gas braucht noch mehr Platz, es drückt noch mehr Magma aus dem Vulkan, der Druck sinkt weiter. Jetzt ist die grosse Haupteruption in vollem Gang. A Aufreissen der Klüfte => vulkanische Erdbeben => messbar mit Seismograph. Die Zahl der Erdbeben pro Zeiteinheit nimmt zu. H B C B G D F E I Steigende Temperatur der Gase deutet auf aufsteigendes Magma hin. GPS-Messungen: zeigt direkt Hebung an; Neigungsmesser: der angehobene Vulkan wird steiler. GPS-Messungen => Verschiebungen der Stationen (bei Ausdehnung des Vulkans: von diesem weg), Zwischen den Stationen vergrössert oder verkleinert sich die Distanz, je nachdem, wo sich diese befinden. Starke Ausdehnung => Aufreissen von Spalten. Die Anwesenheit von (flüssigem) Magma im Vulkankegel oder unter ihm macht sich durch den Tremor bemerkbar. Kleinen Ausbrüchen folgen oft grössere. Sie machen den Weg frei für immer mehr austretende Lava und vulkanisches Gas. Mit COSPEC-Messungen kann man feststellen, ob immer mehr Schwefeldioxid ausgestossen wird. Falls dem so ist, wird ein grösserer Ausbruch wahrscheinlicher. Mit dem Flugzeug kann man eher für kurze Zeit in ein gefährdetes Gebiet eindringen als am Boden. Seite 8
Mögliche Lösung Aufgabe 2 Konsequenzen einer Evakuation für die Bevölkerung in der Region rund um den Vesuv und für den Rest Italiens: Enorme Kosten der Evakuation. Mit Sicherheit gibt es zahlreiche Verkehrsunfälle mit den entsprechenden Folgen. Psychische und materielle Belastungen der Menschen in denjenigen Regionen, die Evakuierte aufnahmen müssen (natürlich auch der Evakuierten selber). Unterbrochene Nord-Südverbindungen (wichtige Autobahnen, Eisenbahn). Zusammenbruch des Fremdenverkehrs in der Region. Ausfall in der Landwirtschaft, bei der industriellen Produktion und bei den Dienstleistungen. Gebäude, Fabriken und Einrichtungen können nicht unterhalten werden und nehmen Schaden. Gefahr, dass verlassene Gebäude und Anlagen geplündert würden. Was würde geschehen, falls es in der Folge trotz einer Evakuation nur kleine, unschädliche oder gar keine Ausbrüche gäbe? Die Bevölkerung würde das Vertrauen in die Fähigkeit der Wissenschaftler verlieren, Ausbrüche vorauszusagen. Später würde ein Alarm kaum mehr Ernst genommen. Die oben erwähnten Kosten, Gefahren und Schäden hätte man «umsonst» in Kauf genommen. Die Bevölkerung würde zurückkehren (was umso schlimmer wäre, wenn es dann später doch einen Ausbruch gäbe). Copyright Alle Materialien dieser Unterrichtseinheit stehen für den nicht kommerziellen Gebrauch im Unterricht frei zur Verfügung. Die Materialien dürfen ohne Zustimmung der Text- und Bildautoren J. Alean und M. Fulle hingegen nicht anderswo auf dem Web angeboten oder zu kommerziellen Zwecken weiter verwendet werden. http://www.stromboli.net Seite 9