Vulkane
Wie Vulkanausbrüche in Island vorhergesagt werden
Erfahren Sie, wie Wissenschaftler Vulkanausbrüche in Island überwachen und vorhersagen
Island ist einer der geologisch aktivsten Orte der Welt. Genau das macht Island so einzigartig und dynamisch! Deshalb ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, dass Wissenschaftler und staatliche Experten in der Lage sind, effektiv vorherzusagen, wann und wo ein Vulkan ausbrechen könnte.
Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie Vulkanologen einen Ausbruch vorhersagen können, wenn alles unsichtbar unter der Erde geschieht, bis zu dem Moment, in dem die Lava aus der Erde bricht? Erfahren Sie jetzt mehr über die verwendeten Datentypen und die Herausforderungen, vor denen Naturgefahren- und Wissenschaftsexperten in Island bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen stehen.
Vulkanologen der Universität Island bereiten sich am ersten Tag des Meradalir-Ausbruchs im Vulkansystem Fagradalsfjall, Reykjanes, Island, im August 2022 auf Lavamessungen vor. Foto von Jessica Poteet.
Wie Vulkane in Island entstehen
Bevor wir die Datenarten verstehen können, die von Wissenschaftlern zur Überwachung isländischer Vulkane gesammelt werden, müssen wir verstehen, wie diese Vulkansysteme entstehen (natürlich ganz allgemein gesprochen!).
Zu wissen, wie sie entstehen, hilft uns zu verstehen, warum Wissenschaftler genau diese Daten sammeln. Hier ist eine kurze Zusammenfassung, wie viele isländische Vulkane ihre Phase vor dem Ausbruch beginnen:
Magma steigt aus dem Inneren der Erde nach oben. Bei vielen isländischen Vulkanen sammelt sich das Magma über Jahre oder Monate unter der Erde an, bevor ein Ausbruch überhaupt beginnt. Dieses Magma bricht das vorhandene Grundgestein auf, während es sich aus den Tiefen der Erdkruste oder der Mantelgrenze nach oben und außen bewegt, und beginnt, sich im Untergrund zu sammeln.
Magma beginnt sich anzustauen und zu sammeln. Es sammelt sich in verschiedenen Arten von Magmaspeicherzonen wie Sills (Lagergängen) oder Magmakammern. Dies sind verschiedene Arten von unterirdischen Reservoirs, die sich in Größe, Form und Nutzungsdauer unterscheiden.
Das Magmavolumen und der Druck steigen. Der Druck baut sich auf, wenn das Magmavolumen unter der Erde zunimmt und gegen das Grundgestein drückt. Der Boden über der Magmaansammlung beginnt sich zu heben, wenn sich genügend Magma angesammelt hat.
Magma dringt in die flache Kruste ein. Wenn Druck und Volumen ein Maximum erreichen (das für jedes System einzigartig ist), bricht das Magma aus und bewegt sich schnell durch Vulkanschlote oder Spalten bereits existierender Vulkane oder über ein Netzwerk von Dykes und Brüchen mit neu gebildeten Vulkanspalten an die Oberfläche.
Magma bricht aus und wird zu Lava. Das Magma bricht durch den Boden und bricht entweder in Form (a) eines explosiven Ausbruchs von Lava, Auswurfmaterial und Asche aus, wie beim Eyjafjallajökull, oder (b) eines effusiven Lavaausbruchs, wie bei den aktuellen Eruptionen bei Fagradalsfjall und Svartsengi.
Warum haben wir uns diesen Prozess also angeschaut? Nun kennen Sie die wichtigsten geologischen Schritte und Momente, nach denen Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren Ausschau halten, um vorherzusagen, was als Nächstes im Leben eines Vulkans passieren wird. Sie suchen nach Magmaansammlung, Magmaaufstieg und Eruption.
Da wir nun die grundlegende Abfolge der Ereignisse verstehen, die zu einem Vulkanausbruch führen (wiederum sehr allgemein gehalten), können wir uns den Daten widmen!
Beispiele für Datenarten, die Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren zur Untersuchung und Vorhersage von Vulkanen nutzen: (1A&B) Erdbebendaten, jedoch auf einer Karte (1A) und im 3D-Raum dargestellt, um die Tiefe zu zeigen (1B); (2) Eine Karte aus zwei InSAR-Satellitendurchgängen über der Reykjanes-Halbinsel, die die Hebung über der Region Svartsengi zeigt; (3) eine andere Art von seismischen (akustischen) Daten, die die Schallwellen von Erdbeben zeigen, die auf einen Bodenempfänger treffen; (4) GPS-Diagramme der Bewegung bei Krýsuvík, die die Bewegung in Nord-Süd-, Ost-West- und Auf-Ab-Richtung zeigen; und (5) Bohrlochdaten, die Temperatur, Druck, Erdbeben und Lithologie (d. h. Gesteinsarten) zeigen. Daten des Isländischen Meteorologischen Amtes (IMO) und des Journal of Geophysical Research, Geothermalfeld Krafla, 2026.
Daten, die Experten zur Vorhersage von Vulkanen nutzen
Es gibt viele verschiedene Arten von Daten, die Vulkanologen und Naturgefahrenexperten sammeln und untersuchen, um einen Ausbruch vorherzusagen – von tief im Inneren der Erde bis hin zum Weltraum. Lassen Sie uns diese Datentypen zusammenfassen und im Detail besprechen, wie sie den Wissenschaftlern jeweils helfen. Hier ist eine kurze Übersicht:
Seismische Daten – überwachen Erdbeben, die durch Magmabewegungen sowie Spannungen oder Stauchungen in der Erdkruste verursacht werden
GPS-Daten – verfolgen in Echtzeit Aufwärts-, Abwärts- oder Seitwärtsbewegungen des Bodens an einem bestimmten Punkt.
InSAR-Daten – nutzen Satelliten, um langfristige, hochauflösende Bodenverschiebungen über ein großes Gebiet hinweg zu messen
Bohrlochdaten – nutzen Unterschiede in Temperatur, Neigung, Druck, Chemie und Flüssigkeitsdynamik, um Veränderungen im Untergrund zu überwachen
Beobachtungsdaten – nutzen unsere fünf Sinne, um Daten über Veränderungen in der lokalen Umwelt zu sammeln
Analogdaten – beziehen Daten aus der Vergangenheit und von anderen ähnlichen Vulkansystemen ein, um Parallelen zu aktuellen Ereignissen zu ziehen
Wie Sie sehen, steht Wissenschaftlern und Naturgefahrenexperten eine Vielzahl von Datentypen zur Verfügung, um Vulkansysteme zu untersuchen. Gehen wir nun auf jeden dieser Datentypen im Detail ein.
Seismische Daten
Diese akustischen Daten zeichnen Vibrationen in der Erde auf, sodass Spezialisten Erdbeben erkennen und verfolgen können, wie sich Spannungen und Magma in einem Vulkansystem bewegen. Muster in diesen Signalen können Aufschluss darüber geben, wann sich Magma ansammelt, aufsteigt, Gestein bricht oder das System unter Druck setzt. Seismische Daten umfassen in der Regel die Stärke des Bebens, die Tiefe des Bebens und die Lage an der Oberfläche direkt über dem Beben. Mithilfe der Statistik vieler Erdbeben im Laufe der Zeit können Seismik-Spezialisten ein Bild der Bewegung und Spannung im Untergrund zusammensetzen. Sind beispielsweise alle Erdbeben in einem Gebiet auf ähnliche Tiefen lokalisiert oder liegen sie alle auf einer Linie in unterschiedlichen Tiefen? Dies könnte der entscheidende Unterschied zwischen der Entstehung eines Sills oder eines Dykes sein.
GPS-Daten
Hierbei werden sowohl GPS als auch GNSS verwendet – fest installierte, bodengestützte Empfänger, die im Boden verankert sind und mithilfe von Satelliten ihre Position millimetergenau messen. Durch die Verfolgung winziger Verschiebungen im Laufe der Zeit können Wissenschaftler Bodenverformungen an einem einzelnen Punkt erkennen, die durch Magmabewegungen unter einem Vulkansystem verursacht werden. Islands satellitengestützter Datensatz erfasst Seitwärtsbewegungen wie Nord, Süd, Ost oder West, aber auch Bewegungen auf der Y-Achse, also nach oben oder unten. Beispielsweise könnte eine Bewegung nach oben darauf hindeuten, dass sich Magma im Untergrund ansammelt, während eine Bewegung nach unten bedeuten könnte, dass sich eine Magmakammer entleert und das Magma an einen anderen Ort abfließt.
InSAR-Daten
Das steht für „Interferometric Synthetic Aperture Radar“ (wir versprechen, dass es dazu keinen Test geben wird!) und ist eine wichtige Art von per Satellit erfassten Daten, die regionale Bewegungen über einen längeren Zeitraum messen. Ganz allgemein ausgedrückt überfliegt ein bestimmter Satellitentyp eine Region und tastet die Landoberfläche mit Radar ab. Wenn dies zweimal zu unterschiedlichen Terminen möglich ist, können Wissenschaftler die beiden verschiedenen Satellitendurchgänge vergleichen und eine regionale Bewegungskarte erstellen. Die so erstellten Karten sind sehr farbenfroh und komplex zu lesen, aber breite Farbflächen bedeuten weniger Bewegung und Bereiche mit engeren Farbbändern bedeuten mehr Bewegung oder Verformung des Bodens.
Borehole-Daten (Bohrlochdaten)
Wenn in dem Gebiet Bohrlöcher vorhanden sind, messen im Bohrloch platzierte Sensoren und Monitore eine ganze Reihe von Daten, darunter Temperatur, Neigung, Druck, Gaschemie, Flüssigkeitsdynamik und sogar Seismizität. Temperaturanstiege, Druckänderungen und erhöhte Werte bestimmter Gase können Vorboten von Magmabewegungen sein. Beispielsweise deutete 2023 im Geothermie-Kraftwerk Svartsengi ein Anstieg von SO2 darauf hin, dass Magma im Untergrund aufstieg und sich der Tiefe des Bohrlochs näherte. Und viele der Vulkanbeobachtungsstationen hier verfügen über Geräte, die die Neigung des Bodens messen.
Beobachtungsdaten
Dies ist ein sehr variabler Datensatz und nicht immer ein formeller. Es handelt sich schlicht um menschliche Beobachtungen lokaler und regionaler Veränderungen, die uns auf einen zukünftigen Vulkanausbruch aufmerksam machen können. Zu den wichtigsten Dingen, auf die Naturgefahrenexperten in Island achten, gehören Gletscherläufe (Gletscherfluten), wenn sich ein Vulkansystem erwärmt, die Erwärmung der Wasserversorgung, wenn lokale Brunnen die erhöhte Hitze registrieren, oder eine verstärkte Dampfentwicklung am Boden bzw. eine Zunahme der geothermischen Aktivität. Dazu gehört auch, ins Gelände zu gehen und Drohnenvermessungen aus der Ferne durchzuführen sowie Messungen von frischen Spalten, Verwerfungen und Bodenverschiebungen vorzunehmen.
Analogdaten
Wissenschaftler nutzen Analogdaten von ähnlichen Vulkansystemen in Island oder im Ausland, um Hypothesen darüber aufzustellen, was ihre Daten bedeuten und wann der Vulkan im Vergleich zu anderen ähnlichen Vulkanen ausbrechen könnte. Dazu gehört auch der Blick auf alle oben genannten Daten anderer Systeme, um zu sehen, ob sich Parallelen ziehen lassen. Im Fall von Svartsengi nutzen lokale Experten beispielsweise den zeitlichen Ablauf des Ausbruchs und die Untergrunddaten der Krafla-Feuer und von Holuhraun, um die Zeitspanne zwischen den einzelnen Ausbrüchen der Vulkanaktivität abzuschätzen.
Beispiele für Modelle und Diagramme, die Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren aus ihren Daten erstellen, um Vulkanausbrüche vorherzusagen: (1) Eine Karte der neuen Spalten auf der Reykjanes-Halbinsel, die aus Kartierungen vor Ort und InSAR-Daten abgeleitet wurden; (2) ein Modell der Magmazuflussrate in einen unterirdischen Sill unter Svartsengi; (3) Erdbeben, kartiert nach Tiefe und Zeit, dargestellt mit vulkanischer Unruhe (Magmabewegung im Untergrund, aber keine Ausbrüche). Daten aus dem Bulletin of Volcanology und dem Nordic Volcanological Center der Universität Island sowie vom Isländischen Meteorologischen Amt.
Wie nutzen Wissenschaftler diese Daten zur Vorhersage von Vulkanausbrüchen?
Nachdem diese Daten gesammelt wurden, führen Wissenschaftler sie alle zusammen, um ein Gesamtbild des Vulkansystems und seines aktuellen Zustands zu erstellen. Dabei handelt es sich meist um dynamische Momentaufnahmen eines Systems, die sich weiterentwickeln, während sich Magma sammelt, bewegt und ausbricht. Sie können viele dieser Daten nutzen, um ein Modell des Untergrunds zu erstellen, um das Magmavolumen und die Füllraten unterirdischer Magmakammern oder Sills abzuschätzen. Diese Modelle können 2D-Diagramme von Zeit im Verhältnis zu Volumen oder Rate und Oberflächenkarten, 3D-Zeichnungen der angenommenen Magmaansammlung im Untergrund oder 4D-Darstellungen der Magmaansammlung im Zeitverlauf sein.
Zuverlässigkeit der Daten bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen
Sind diese Daten zuverlässig? Größtenteils sind die bei der Vulkanvorhersage gesammelten Daten allgemein zuverlässig. Es gibt jedoch bekannte Umstände, die die Datenintegrität beeinträchtigen können.
Eine präzise Triangulation seismischer Daten erfordert ein dichtes Sensornetzwerk.
Schlechtes Wetter (in Island leider viel zu häufig) und sogar aktive geomagnetische Stürme der Sonne, die Polarlichter verursachen (ebenfalls häufig in Island), können GPS-Daten beeinflussen.
InSAR-Daten funktionieren nur an Land und wenn die Region schnee- und wolkenfrei ist.
Es gibt also viele Faktoren, die die Daten und ihre Erfassung beeinflussen können, obwohl Experten diese Probleme in der Regel einkalkulieren und Korrekturen vornehmen können.
Während die Daten selbst insgesamt recht zuverlässig sein können, bleibt die Interpretation dessen, was sie bedeuten, natürlich immer eine Herausforderung. Nicht jeder Erdbebenschwarm kündigt einen Ausbruch an, und nicht jedes dampfende Lavafeld bedeutet, dass Magma nahe der Oberfläche ist. Es gibt keine 100-prozentige Vorhersage bei Vulkanausbrüchen, aber Wissenschaftler können im Vorfeld eines Ausbruchs meist Zeiträume eingrenzen, in denen ein Ausbruch am wahrscheinlichsten ist. Und sobald das Magma flach genug aufsteigt, haben Wissenschaftler meist 30 Minuten bis wenige Stunden Zeit, um die Öffentlichkeit vor einem bevorstehenden Ausbruch zu warnen.
Das Schlusswort zur Vorhersage von Vulkanen in Island
Hoffentlich gibt Ihnen dies einen neuen Einblick in die riesige Menge an Daten, die von Experten gesammelt und ausgewertet werden müssen, und zeigt Ihnen, dass die Vorhersage eines Vulkanausbruchs keine kinderleichte, mathematisch exakte Aufgabe ist. Es ist schwer, etwas vorherzusagen, das wir mit unseren Augen nicht direkt sehen können. Aber auch wenn die Vorhersage eines Vulkanausbruchs komplex und herausfordernd ist – die Wissenschaftler in Island meistern diese Aufgabe jeden Tag aufs Neue mit Bravour!
Häufig gestellte Fragen zur Vorhersage von Ausbrüchen in Island
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Die Überwachung der isländischen Vulkane hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wann ein Ausbruch bevorsteht, aber nichts ist vergleichbar mit dem Erlebnis, die unglaubliche Kraft flüssiger Lava mit eigenen Augen zu sehen. Bei der Lava Show, der weltweit einzigen Live-Lava-Show, können Sie in aller Sicherheit echte, glühend heiße Lava erleben, die nur wenige Meter von Ihnen entfernt fließt, während Sie erfahren, wie die vulkanische Aktivität die sich ständig verändernde Landschaft Islands prägt.
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Lesen Sie mehr darüber, wie Isländer Vulkane überwachen und erforschen
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Dieser Artikel wurde von der Geologin Jessica Poteet geschrieben. Hören Sie sich das Interview mit ihr im Lava Academy Podcast an.
