Die chemische Zusammensetzung von Gasen, die von Vulkanen emittiert werden, kann sich je nach der Größe der Gasblasen, die an die Oberfläche aufsteigen, ändern und hängt mit der Art zusammen, in der sie ausbrechen. Die Ergebnisse, die jetzt von der University of Cambridge veröffentlicht wurden, könnten genutzt werden, um die Vorhersage der Gefährdungen durch bestimmte Vulkane zu verbessern.
Ein Team von Wissenschaftlern, darunter ein Vulkanologe und Mathematiker der University of Cambridge, entdeckte das Phänomen durch detaillierte Beobachtungen von Gasemissionen des Vulkans Kīlauea auf Hawaii.
Bei vielen Vulkanen weltweit werden die Gasemissionen routinemäßig überwacht, um bei der Vorhersage von Eruptionen zu helfen. Änderungen beim Ausstoß oder bei den Anteilen verschiedener Gase – wie Kohlendioxid und Schwefeldioxid – können Veränderungen in der Aktivität eines Vulkans anzeigen. Vulkanologen haben angenommen, dass diese chemischen Veränderungen den Anstieg und Abfall von Magma in der Erdkruste widerspiegeln, aber die neue Forschung zeigt, dass die Zusammensetzung der vulkanischen Gase auch von der Größe der Gasblasen abhängt, die an die Oberfläche aufsteigen.
Bis zur letzten spektakulären Eruption, die Risse an der Flanke des Vulkans hervorrief, besaß Kīlauea einen riesigen Lavasee in seinem Gipfelkrater. Das Verhalten dieses Lavasees änderte sich zwischen Phasen feurigen “Spritzens”, angetrieben durch große Gasblasen, die durch das Magma platzten, und sanfterer Gasfreisetzung, begleitet von langsamer und stetiger Bewegung der Lava.
In der Vergangenheit wurden vulkanische Gase direkt aus Dämpföffnungen und Öffnungen, den sogenannten Fumarolen, entnommen. Aber das ist nicht möglich, um die Emissionen eines Lavasees zu messen, der 200 Meter breit ist und einen steilwandigen Krater füllt. Stattdessen nutzte das Team ein Infrarotspektrometer, das von Co-Autoren der Studie, Jeff Sutton und Tamar Elias vom Hawaiian Volcano Observatory (US Geological Survey) der für die routinemäßige Vulkanüberwachung eingesetzt wird.
Jede einzelne Messung wurde verwendet, um die Temperatur des vulkanischen Gases zu berechnen. Was den Wissenschaftlern sofort auffiel war, dass die Gastemperaturen von 1150 Grad Celsius – die Temperatur der Lava – bis auf rund 900 Grad Celsius reichten. “Bei dieser Temperatur würde die Lava einfrieren”, sagte Hauptautor Dr. Clive Oppenheimer aus dem Geographischen Institut Cambridge. “Zuerst konnten wir nicht verstehen, wie die Gase viel kälter werden konnten als die geschmolzene Lava, die im See umherschwappte.”
Das Gerät befand sich am Rand des Kraters, zeigte auf den Lavasee und zeichnete alle paar Sekunden die Gaszusammensetzung in der Atmosphäre auf. Die Emissionen von kohlenstoff- und schwefelhaltigen Gasen wurden sowohl in der kräftigen als auch in der milden Aktivitätsphase gemessen.
Der Schlüssel zu diesem Rätsel lag in den Variationen der berechneten Gastemperaturen – sie waren hoch, wenn der Lavasee ruhig war und niedrig, wenn es heftig brodelte. “Wir haben festgestellt, dass dies an der Größe der Gasblasen liegen könnte”, sagte Co-Autor Professor Andy Woods, Direktor des Cambridge BP-Instituts. “Größere Blasen steigen schneller durch das Magma und dehnen sich schnell aus, wenn der Druck abnimmt, genau wie Blasen, die in einem Glas kohlensäurehaltigen Getränks aufsteigen; das Gas kühlt wegen der Ausdehnung ab.” Größere Blasen bilden sich, wenn kleinere Blasen aneinander stoßen und sich vereinigen.
Woods und Oppenheimer entwickelten ein mathematisches Modell, um den Prozess zu erklären, der sehr gut zu den Beobachtungen passte.
Aber es gab noch einen weiteren überraschenden Befund aus den Gasbeobachtungen auf Hawaii. Die Emissionen aus den großen Gasblasen waren nicht nur kühler, sondern auch stärker oxidiert als erwartet – sie hatten höhere Anteile von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid.
Es wird allgemein angenommen, dass das chemische Gleichgewicht von vulkanischen Gasen wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (oder Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff) durch die Chemie des umgebenden flüssigen Magmas gesteuert wird. Aber die neuen Ergebnisse zeigen: Wenn die Blasen groß genug werden, sucht sich der größte Teil des vorhandenen Gases seinen eigenen chemischen Weg, während es abkühlt.
Im Vergleich war das Verhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid während des energetischsten Zustands des Lavasees sechsmal höher, als während der stabilen Phase. Die Wissenschaftler schlagen vor, dass dieser Effekt berücksichtigt werden muss, wenn Gasmessungen verwendet werden, um größere Veränderungen der vulkanischen Aktivität vorhersagen zu können.
“Gasmessungen sind entscheidend für die Überwachung und Gefährdungsbeurteilung von Vulkanen. Indem wir unser Verständnis darüber, wie sich Magma unter dem Vulkan verhält, verbessern, können wir unsere Beobachtungen besser interpretieren”, sagte Co-Autor Tamar Elias vom Hawaiian Volcano Observatory.
Und es gibt eine weitere Auswirkung dieser Entdeckung – nicht für heutige Eruptionen, sondern auch für die Entwicklung der Erdatmosphäre vor Milliarden von Jahren. “Vulkanische Emissionen in der tiefen Vergangenheit der Erde könnten die Atmosphäre oxidierender gemacht haben, als wir dachten”, sagte Co-Autor Bruno Scaillet. “Eine sauerstoffreichere Atmosphäre hätte die Entstehung und Lebensfähigkeit des Lebens an Land erleichtert, indem sie eine Ozonschicht erzeugt, die schädliche UV-Strahlen der Sonne abschirmt.
Veröffentlichung: Clive Oppenheimer, Bruno Scaillet, Andrew Woods, A. Jeff Sutton, Tamar Elias, Yves Moussallam. Influence of eruptive style on volcanic gas emission chemistry and temperature. Nature Geoscience, 2018; DOI: 10.1038/s41561-018-0194-5
Quelle: off. Pm der University of Cambridge
Pia Gaupels
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