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. Deshalb ist Island so einzigartig und dynamisch! Darum ist es jedoch wichtig, dass Wissenschaftler und Regierungsexperten effektiv vorhersagen können, wann und wo ein Vulkanausbruch ausbrechen könnte.
Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie Vulkanologen einen Ausbruch vorhersagen können, wenn alles unsichtbar erscheint und unter der Erde geschieht, bis zu dem Moment, in dem Lava aus dem Boden hervorbricht? Erfahren Sie jetzt mehr über die verwendeten Datentypen und die Herausforderungen, denen sich Experten für Naturgefahren und Wissenschaft in Island bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen stellen.
Vulkanologen der Universität Island bereiten sich darauf vor, am ersten Tag des Meradalir-Ausbruchs im Vulkansystem Fagradalsfjall, Reykjanes, Island, im August 2022 Lava-Messungen vorzunehmen. Foto von Jessiac Poteet.
Wie Vulkane in Island entstehen
Bevor wir die Arten von Daten verstehen können, die von Wissenschaftlern gesammelt werden, die isländische Vulkane überwachen, müssen wir verstehen, wie diese Vulkansysteme entstehen (sehr allgemein gesprochen, natürlich!).
Zu wissen, wie sie entstehen, hilft uns zu verstehen, warum Wissenschaftler genau die Daten sammeln, die sie sammeln. Hier ist die kurze Zusammenfassung, wie viele isländische Vulkane ihre Vor-Ausbruchs-Phase beginnen:
Magma bewegt sich aus der Tiefe der Erde nach oben. Bei vielen isländischen Vulkanen beginnt sich Magma bereits Monate oder Jahre vor einem Ausbruch unterirdisch anzusammeln. Dieses Magma bricht das vorhandene Grundgestein auf, während es sich von tief im Erdinneren, an der Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel, nach oben und außen bewegt und beginnt, sich im Untergrund zu sammeln.
Magma beginnt sich zu sammeln und anzusammeln. Es sammelt sich in verschiedenen Arten von Magmareservoirs, wie Sills oder Magmakammern. Dabei handelt es sich um unterschiedliche unterirdische Speicher, die sich in Größe, Form und Nutzungsdauer unterscheiden.
Das Magmavolumen nimmt zu, und der Druck steigt. Der Druck beginnt sich aufzubauen, wenn das Volumen des unterirdischen Magmas zunimmt und gegen das Grundgestein drückt. Der Boden über der Magmasammlung beginnt sich anzuheben, wenn genug Magma angesammelt ist.
Magma wird in die oberflächennahen Krustenschichten injiziert. Wenn Druck und Volumen ein Maximum erreichen (das je nach System unterschiedlich ist), bricht das Magma frei und bewegt sich schnell an die Oberfläche, entweder durch vulkanische Schächte oder Schlote bestehender Vulkane oder durch ein Netzwerk aus Gängen und Brüchen mit neu entstandenen vulkanischen Spalten.
Magma bricht aus und wird zu Lava. Das Magma löst sich aus dem Untergrund und bricht entweder (a) explosiv als Lava, Auswurfmaterial und Asche aus, wie am Eyjafjallajökull, oder (b) effusiv als Lava aus, wie bei den aktuellen Ausbrüchen am Fagradalsfjall und Svartsengi.
Warum sind wir diesen Prozess durchgegangen? Jetzt kennen Sie die wichtigen geologischen Schritte und Momente, nach denen Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren Ausschau halten, wenn sie vorhersagen, was als Nächstes im Leben eines Vulkans passiert. Sie suchen nach Magmaansammlung, Aufstieg und Ausbruch.
Jetzt, da wir die grundlegende Abfolge der Ereignisse verstehen, die zu einem Vulkanausbruch führen (erneut, ganz allgemein), können wir über die Daten sprechen!
Beispiele für Datentypen, die Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren zur Untersuchung und Vorhersage von Vulkanen verwenden: (1A&B) Erdbebendaten, zunächst auf einer Karte dargestellt (1A) und dann in 3D-Raum geplottet, um die Tiefe zu zeigen (1B); (2) Eine aus zwei InSAR-Satellitenüberflügen über die Reykjanes-Halbinsel erstellte Karte, die Hebung über der Region Svartsengi zeigt; (3) eine andere Art seismischer (akustischer) Daten, die die Schallwellen von Erdbeben zeigt, die auf einen Bodenempfänger treffen; (4) GPS-Grafiken der Bewegung bei Krýsuvík, die Bewegungen in Nord-Süd-Richtung, Ost-West-Richtung und Auf-Ab-Richtung zeigen; und (5) Bohrlochdaten, die Temperatur, Druck, Erdbeben und Lithologie (d. h. Gesteinsarten) zeigen. Daten vom Isländischen Meteorologischen Amt (IMO) und aus dem Journal of Geophysical Research, Geothermiefeld Krafla, 2026.
Daten, die Experten zur Vorhersage von Vulkanen verwenden
Es gibt viele verschiedene Arten von Daten, die Vulkanologen und Experten für Naturgefahren sammeln und untersuchen, um einen Ausbruch vorherzusagen – von tief im Erdinneren bis ins Weltall. Fassen wir diese Datentypen zusammen und besprechen wir im Detail, wie sie Wissenschaftlern jeweils helfen. Hier ist ein kurzer Überblick:
Seismische Daten - überwachen Erdbeben, die durch Magmabewegungen sowie Spannungen oder Kompression in der Erdkruste verursacht werden
GPS-Daten - verfolgen Echtzeitbewegungen des Bodens an einem bestimmten Punkt nach oben, unten oder seitlich.
InSAR-Daten - nutzen Satelliten, um langfristige, hochauflösende Bodenverschiebungen über ein großes Gebiet zu messen
Bohrlochdaten - nutzen Unterschiede bei Temperatur, Neigung, Druck, Chemie und Fluiddynamik, um Veränderungen im Untergrund zu überwachen
Beobachtungsdaten - nutzen unsere fünf Sinne, um Daten über Veränderungen in der lokalen Umgebung zu sammeln
Analoge Daten - beziehen Daten aus der Vergangenheit und von anderen ähnlichen Vulkansystemen ein, um Parallelen zu aktuellen Ereignissen zu ziehen
Wie Sie sehen, haben Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren viele Datentypen zur Verfügung, um Vulkansysteme zu untersuchen. Gehen wir diese Datentypen nun im Detail durch.
Seismische Daten
Diese akustischen Daten zeichnen Vibrationen in der Erde auf und ermöglichen es Fachleuten, Erdbeben zu erkennen und zu verfolgen, wie sich Stress und Magma innerhalb eines Vulkansystems bewegen. Muster in diesen Signalen können offenbaren, wann sich Magma ansammelt, aufsteigt, Gestein aufreißt oder das System unter Druck setzt. Seismische Daten umfassen in der Regel die Magnitude des Bebens, die Tiefe des Bebens und den Ort an der Oberfläche direkt über dem Beben. Anhand der Statistik vieler Erdbeben über die Zeit können Seismiker allmählich ein Bild von Bewegung und Spannungen im Untergrund zusammensetzen. Liegen zum Beispiel alle Erdbeben in einem Gebiet in ähnlichen Tiefen oder bilden sie alle eine Linie in unterschiedlichen Tiefen? Das könnte den Unterschied ausmachen, ob sich ein Sill oder ein Dike bildet.
GPS-Daten
Dabei werden sowohl GPS- als auch GNSS-Empfänger verwendet, die fest am Boden verankert sind und Satelliten nutzen, um ihre Position mit Millimeterpräzision zu messen. Durch das Verfolgen winziger Verschiebungen im Laufe der Zeit können Wissenschaftler Bodenverformungen an einem einzelnen Punkt erkennen, die durch Magma verursacht werden, das sich unter einem Vulkansystem bewegt. Der satellitengestützte Datensatz Islands verfolgt seitliche Bewegungen wie nach Norden, Süden, Osten oder Westen, aber auch Bewegungen auf der y-Achse, also nach oben oder unten. Eine Bewegung nach oben könnte zum Beispiel darauf hindeuten, dass sich Magma im Untergrund ansammelt, während eine Bewegung nach unten bedeuten könnte, dass sich eine Magmakammer entleert und das Magma anderswohin wandert.
InSAR-Daten
Das steht für Interferometric Synthetic Aperture Radar (wir versprechen, dazu wird es keinen Test geben!) und ist eine wichtige Art von satellitengestützten Daten, die regionale Bewegungen über einen längeren Zeitraum misst. Sehr allgemein gesprochen überfliegt ein bestimmter Satellitentyp eine Region und sendet Radar über die Erdoberfläche. Wenn er dies an zwei unterschiedlichen Tagen tun kann, sind Wissenschaftler in der Lage, die beiden Überflüge des Satelliten zu vergleichen und eine regionale Bewegungsmappe zu erstellen. Die erzeugten Karten sind sehr farbenfroh und kompliziert zu lesen, aber Bereiche mit breiten Farbbändern bedeuten weniger Bewegung und Bereiche mit engeren Farbbändern bedeuten mehr Bewegung oder Verformung des Bodens.
Bohrlochdaten
Wenn in dem Gebiet Bohrlöcher gebohrt wurden, messen Sensoren und Messgeräte, die in das Loch hinabgelassen werden, eine ganze Reihe von Datentypen, darunter Temperatur, Neigung, Druck, Gaschemie, Fluiddynamik und sogar Seismizität. Anstiege der Temperatur, Änderungen des Drucks und erhöhte Werte bestimmter Gase können Vorwarnungen für Magmabewegungen sein. Im Jahr 2023 etwa deuteten am Geothermiekraftwerk Svartsengi erhöhte SO2-Werte darauf hin, dass Magma im Untergrund aufstieg und der Tiefe des Bohrlochs näher kam. Und viele der Vulkanobservatorien hier haben Messgeräte, die die Neigung des Bodens messen.
Beobachtungsdaten
Das ist ein flexibler Datensatz und nicht immer ein formaler Datensatz. Es handelt sich einfach um menschliche Beobachtungen lokaler und regionaler Veränderungen, die uns auf einen zukünftigen Vulkanausbruch aufmerksam machen können. Zu den wichtigsten Dingen, auf die Experten für Naturgefahren in Island achten, gehören Gletscherfluten, wenn sich ein Vulkansystem erwärmt, sich erwärmende Wasserversorgung, wenn lokale Brunnen die zunehmende Wärme registrieren, oder verstärktes Dampfen des Bodens oder eine Zunahme der Aktivität geothermischer Erscheinungen. Dazu gehört auch, ins Feld zu gehen und aus der Ferne Drohnenvermessungen durchzuführen sowie frische Risse, Verwerfungsstufen und Bodenverschiebungen zu messen.
Analoge Daten
Wissenschaftler nutzen Analogie-Daten aus ähnlichen Vulkansystemen, entweder in Island oder im Ausland, um Hypothesen darüber zu bilden, was ihre Daten bedeuten und wann der Vulkan im Vergleich zu anderen ähnlichen Vulkanen ausbrechen könnte. Dazu gehört, alle oben genannten Daten aus anderen Systemen zu betrachten, um zu sehen, ob sich Parallelen zwischen den Systemen ziehen lassen. Bei Svartsengi nutzen lokale Experten beispielsweise den Ausbruchszeitplan und die Untergrunddaten der Krafla-Feuer und von Holuhraun, um den zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Ausbrüchen in der Serie vulkanischer Aktivität abzuschätzen.
Beispiele für Modelle und Grafiken, die Wissenschaftler und Experten für Naturgefahren aus ihren Daten erstellen, um Vulkanausbrüche vorherzusagen: (1) eine Karte neuer Brüche auf der Reykjanes-Halbinsel, die aus Feldkartierung vor Ort und InSAR-Daten abgeleitet wurde; (2) ein Modell der Zuflussrate von Magma in einen unterirdischen Sill unter Svartsengi; (3) Erdbeben, nach Tiefe und Zeit kartiert, mit vulkanischer Unruhe (Magmabewegung im Untergrund, aber keine Ausbrüche) dargestellt. Daten vom Bulletin of Volcanology und dem Nordic Volcanological Center an der Universität Island sowie vom Isländischen Meteorologischen Amt.
Wie nutzen Wissenschaftler diese Daten, um Vulkane vorherzusagen?
Nachdem Wissenschaftler diese Daten gesammelt haben, verwenden sie sie gemeinsam, um ein Gesamtbild eines Vulkansystems und seines aktuellen Zustands zu erstellen. Dabei handelt es sich meist um fortlaufende Momentaufnahmen eines Systems, die sich entwickeln, während sich Magma ansammelt, bewegt und ausbricht. Sie können viele dieser Daten nutzen, um ein Modell des Untergrunds zu erstellen und Magmavolumina sowie Füllraten unterirdischer Magmakammern oder Sills abzuschätzen. Diese Modelle können 2D-Diagramme von Zeit gegenüber Volumen oder Rate und Oberflächenkarten, 3D-Zeichnungen der vorgeschlagenen unterirdischen Magmasammlung oder 4D-Darstellungen der Magmaansammlung über die Zeit sein.
Zuverlässigkeit von Daten bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen
Sind diese Daten zuverlässig? In den meisten Fällen sind die bei der Vorhersage von Vulkanen gesammelten Daten grundsätzlich zuverlässig. Es gibt jedoch bekannte Umstände, die die Datenqualität beeinträchtigen können.
Eine präzise Triangulation seismischer Daten erfordert ein dichtes Netz von Sensoren.
Schlechtes Wetter (in Island völlig alltäglich) und sogar aktive geomagnetische Stürme der Sonne, die Polarlichter verursachen (ebenfalls in Island häufig), 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 Erhebung beeinflussen können, obwohl Experten diese Probleme in der Regel berücksichtigen und korrigieren können.
Natürlich können die Daten selbst insgesamt recht zuverlässig sein, aber die Interpretation ihrer Bedeutung kann immer eine Herausforderung darstellen. Nicht jeder Erdbebenschwarm ist ein Vorbote eines Ausbruchs, und nicht jedes dampfende Lavafeld bedeutet, dass Magma nahe an der Oberfläche ist. Wenn es um Vulkanausbrüche geht, gibt es keine 100-prozentige Vorhersage, aber Wissenschaftler können in der Regel Zeiträume eingrenzen, in denen ein Ausbruch im Vorfeld am wahrscheinlichsten ist. Und sobald das Magma ausreichend oberflächennah ist, haben Wissenschaftler in der Regel 30 Minuten bis wenige Stunden Zeit, die Öffentlichkeit vor einem bevorstehenden Ausbruch zu warnen.
Das letzte Wort zur Vorhersage von Vulkanen in Island
Hoffentlich vermittelt Ihnen das eine neue Wertschätzung für die Menge an Daten, die von Experten gesammelt und interpretiert werden müssen, und ein Verständnis dafür, dass die Vorhersage eines Vulkanausbruchs keine foolproof präzise Aufgabe ist. Es ist schwer, etwas vorherzusagen, das wir nicht direkt mit den Augen sehen können. Aber auch wenn es komplex und herausfordernd ist, einen Vulkanausbruch vorherzusagen, stellen sich die Wissenschaftler in Island jeden Tag dieser Aufgabe!
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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.
