Numerische Modelle könnten neue Einblicke in die Mechanismen Pyroklastischer Ströme liefern

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Numerische Modelle sind mittlerweile der Weg des Erfolges, wenn es zur Untersuchung schwer erreichbarer Phänomene und zur Risikoabschätzung in Folge von Naturkatastrophen kommt. Mit fortschreitender Rechenkraft können immer neue und ausgereiftere Modelle entwickelt werden um komplexe Vorgänge wie z.B. Pyroklastische Ströme zu modellieren.

Pyroklastische Ströme gehören mit zu den verheerendsten Ereignissen, die in Zusammenhang mit einem Vulkanausbruch stehen und treten bei über der Hälfte aller explosiven Vulkanausbrüchen auf. Dabei reichen die Volumina des abgelagerten Materials von lokalen Talfüllungen bis hin zur Bildung ganzer Plateaus mit über 1000 km³ an abgelagertem Material.

Die Ablagerung Pyroklastischer Ströme, Ignimbrite genannt, werden in verschweißte und unverschweißte Ignimbrite unterschieden. Zur Zeit der Römer waren diese Ablagerungen gefragter Grundstoff für die Herstellung des sogenannten Opus Caementium, der durch die Eigenschaft auch unter Wasser abzubinden, ein sehr gefragter Baustoff für Hafenanlagen und Wasserleitungen war.

Die Entstehungsmechanismen Pyroklastischer Ströme können weitestgehend in 3 Kategorien eingeteilt werden. Zum einen die Entstehung in Folge lateral gerichteter Eruptionen, wie bei der Eruption des Mt. St. Helens (1980). Die zweite Kategorie sind Pyroklastische Blockströme, die durch Domkollaps entstehen können. Eines der bekanntesten Beispiele pyroklastischer Blockströme ereignete sich während des Ausbruchs des Unzen Vulkans (Japan) 1991, durch den 40 Menschen ums Leben gekommen sind und unter anderem das Leben der beiden weltweit angesehenen französischen Geowissenschaftler Katja und Maurice Krafft gekostet hat. Der dritte Entstehungsmechanismus ist vorwiegend bei plinianischen Eruptionen zu beobachten. Bei diesen Eruptionen bildet sich aufgrund der volatilreichen Zusammensetzung der Magma im Schlot des Vulkans eine aus Gas und Asche (Tephra) bestehenden Eruptionssäule, die mehrere Kilometer in die Atmosphäre aufsteigen kann. In Folge der höheren Gesamtdichte des, im Vergleich zur umgebenden Atmosphäre, aufsteigenden Gemisches, kann es zum Kollaps der Eruptionssäule und zur Entstehung von über 100 km/h schnellen pyroklastischen Ströme kommen, welche sich dann an den Hängen des Vulkans herabbewegen und eine Spur der Verwüstung hinterlassen.

Zum besseren Verständnis der Vorgänge, die zum Kollaps der aufsteigenden Eruptionssäule und zur Bildung von pyroklastischen Strömen führen, können neben speziell für die Forschung an pyroklastischen Strömen entwickelten numerischen Modellen auch Modelle aus dem Bereich der Fluiddynamik herangezogen werden, die sich mit der Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten auseinander setzt. Probleme bei diesen unterschiedlichen multidisziplinären Ansätzen sind die Verifizierung und Validierung, angefangen bei unterschiedlicher Terminologie, über die Reproduzierbarkeit der Modelle, bis hin zur Schaffung eines einheitlichen Frameworks. Für die Programmierung stehen der breiten Erforschung durch Numerische Modellierung einige Große, aber nicht unüberwindbare Hindernisse im Weg. Sollten sich diese überwinden lassen, steht der Weg für Erforschung der Teils noch wenig erforschten Entstehungsmechanismen Pyroklastischer Ströme nichts mehr im Wege.

Veröffentlichung: T. Esposti Ongaro; M. Ceminara; S.J. Charbonnier; G. Lube; G.A. Valentine (2020): A framework for validation und benchmarking of pyroclastic current models, Bulletin of Vulcanology, 2020. DOI: 10.1007/s00445-020-01388-2

Titelbildunterschrift: Pyroklastischer Dichtestrom am Vulkan Mayon, Philippinen (https://de.wikipedia.org/wiki/Pyroklastischer_Dichtestrom)

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