Vom Urknall zum Planeten Erde
Vulkane
Zerstörer und Lebensspender
Vulkane gelten vielen Völkern als der Sitz der
Götter: Einerseits erlaubt die fruchtbare Asche an den Hängen der
Vulkane reiche Ernten, andererseits können Vulkanausbrüche aber auch
Tod und Verderben bringen. Vulkane bringen die Biosphäre in Kontakt
mit der Hitze und den chemischen Vorgängen im Inneren der Erde; und
erlauben den Wissenschaftlern einen Einblick in die dort ablaufenden
Vorgänge.
Krater des Tambora, eines
Vulkans in Indonesien. Der Tambora brach 1815 aus; der Ausbruch
kostete 92.000 Menschen das Leben. Der in die Atmosphäre
geschleuderte Staub verdunkelte den Himmel und führte zu einer
weltweiten Abkühlung und Hungersnöten; 1816 galt in Europa und
Nordamerika als “Jahr ohne Sommer”. Foto: United States Geological
Survey, public domain.
Vulkane entstehen immer dort, wo flüssiges Gestein
aus dem
Erdinneren an die Erdoberfläche gelangt – meist an
Schwächezonen der Erdkruste: Dort, wo sich die Platten trennen
und dort, wo eine Platte unter die andere taucht.
Die aktiven Vulkane der Erde
(rote Punkte) liegen zu 95 Prozent an >>
Plattengrenzen. Untermeerische Vulkane an den
mittelozeanischen Rücken sind in der Karte nicht eingetragen. Eigene
Abbildung nach Press/Siever: Allgemeine Geologie, 5. Auflage 2008.
Wo sich die Platten trennen – an den Spreizungszonen der
mittelozeanischen Rücken – tritt an (den oben nicht eingezeichneten)
untermeerischen Vulkanen basaltische Lava aus und bildet neuen
Meeresboden (hier).
Wo eine Platte unter die andere taucht – an den Subduktionszonen –
schmilzt das abtauchende Gestein; hier können durchgehende
Vulkangürtel entstehen, wie der den Pazifik umgebende “Pazifische
Feuerring”. In beiden Fällen erleichtert der relativ hohe
Wassergehalt des Gesteins – an den Spreizungszonen durch
eindringendes Wasser verursacht, an den Subduktionszonen ist die
abtauchende ozeanische Kruste ohnehin wasserreich – das Schmelzen
des Gesteins, da es seinen Schmelzpunkt absenkt. Aber es gibt auch
Vulkane weit weg von den Plattengrenzen, etwa die Vulkane von Hawaii
mitten in der Pazifischen Platte. Als Auslöser dieser Vulkane gelten
den meisten Geologen sogenannte “Hot Spots”, an denen heißes
Material aus dem unteren Bereich des Erdmantels aufsteigt. Das
flüssige Gestein der Vulkane an den Plattengrenzen stammt dagegen
aus dem oberen Bereich des Erdmantels. Hier wird das Erdinnere
mindestens 1.300 Grad Celsius warm – warm genug, um bei dem dort
herrschenden Druck Gestein zu schmelzen.
Da flüssiges Gestein leichter ist als festes, sucht es sich seinen
Weg durch Schwachstellen nach oben; an anderen Stellen schmilzt es
sich auch durch die Erdkruste hindurch. Die aufsteigende
Gesteinsschmelze, auch Magma genannt, sammelt sich
oft in geringer Tiefe in der Erdkruste in einer Magmakammer. Gelangt
Magma aus dieser Kammer an die Oberfläche, sprechen wir von einem Vulkanausbruch,
an der Erdoberfläche austretendes Magma als Lava.
Die Geologen unterscheiden Zentraleruptionen, bei denen die Lava
durch einen zentralen Schlot austritt, und Spalteneruptionen, bei
denen der Austritt durch oftmals viele Kilometer lange Spalten
erfolgt. Die Spalteneruptionen sind die größten Vulkanausbrüche und
typisch für die mittelozeanischen Rücken; an Land bilden sie
mächtige Flutbasalte (siehe Kasten), die etwa das Columbia-Plateau
im Westen der USA, den Dekkantrapp in Indien und den Sibirischen
Trapp bildeten. Bei Zentraleruptionen entstehen dagegen die
“typischen” Schild- und Schichtvulkane wie der Mauna Loa (Hawaii),
Fuji-san (auch Fudschijama, Japan) oder Ätna und Vesuv in Italien.
Ein Krater entsteht, wenn die Lava nach dem Ende
des Ausbruchs in den Förderschlot zurücksinkt und beim nächsten
Ausbruch aus dem Schlot geblasen wird. Bricht eine Magmakammer unter
dem Vulkan zusammen, entstehen viel größere Becken, die als Caldera
(Einbruchskessel) bezeichnet werden. Erstarrte Lava wird zu
magmatischem Gestein.
Magmatische
Gesteine
Die magmatischen Gesteine unterscheidet man nach ihrer chemischen
Zusammensetzung; sie können zudem je nach Austrittstemperatur und
Gasgehalt unterschiedliche Lavaformen bilden. Die wichtigsten
magmatischen Gesteine sind:
- Basalt: Das verbreitetste Vulkangestein mit
hohem Eisen- und Magnesium-, aber niedrigem Siliziumdioxid-Gehalt.
Erkalteter Basalt ist dunkelgrau bis schwarz. Basaltische
Lavaströme können etwa Pahoehoe-Lava
(Stricklava) bilden, wenn warme Schmelze zuerst an der Oberfläche
erkaltet; scharfkantige Aa-Lava (Brockenlava),
wenn die Schmelze ihr Gas bereits weitgehend verloren hat; Flutbasalte,
wenn Lava bei Spalteneruptionen austreten und dünne Decken bis –
je nach Menge – mächtige Schichten (dann “Trapp” genannt) bilden
sowie Kissenlava, benannt nach dem
kissenförmigen der Basaltstrukturen, wenn der Ausbruch unter
Wasser erfolgt. Der Ozeanboden besteht aus Basalt, der an den
mittelozeanischen Rücken austritt.
- Andesit: Gestein mit mittlerem
Siliziumdioxid-Gehalt. Andesit ist zähflüssiger als Basalt und
bildet daher gerne Lavapfropfen im Eruptionskanal des Vulkans,
unter dem sich Gase ansammeln, die schließlich den Gipfel des
Vulkans wegsprengen können – eine solche Sprengung war der
Ausbruch des Vulkans Mount St. Helens im US-Bundesstaat Washington
Jahr 1980. Andesit entsteht oft, wenn Mantelgestein an
Subduktionszonen eingeschmolzen wird, etwa an der Pazifikküste
Südamerikas (das Wort Andesit leitet sich von “Anden” ab).
- Rhyolith: Gestein mit hohem
Siliziumdioxidgehalt. Rhyolithische Laven entstehen, wenn saures
Gestein an Subduktionszonen eingeschmolzen wird; sie sind
ebenfalls zähflüssig und neigen wie Andesit dazu, Gase anzusammeln
und zu explodieren. Erkaltete Rhyolithe sind hell und
beispielsweise im Yellowstone-Nationalpark zu finden, der dem
gelben Gestein seinen Namen verdankt.
Grand Canyon im
Yellowstone-Nationalpark: Das gelbe Gestein, dem der Park
seinen Namen
verdankt, ist Rhyolith. Foto: Mila Zinkova, aus
wikipedia commons, abgerufen 08.08.2009,
Lizenz: c.c.
3.0
Die insbesondere bei andesitischen und
rhyolithischen Laven verbreiteten explosiven Ausbrüche setzen neben
Lava auch Gase und bereits verfestigtes Gestein fest; das
verfestigte Gestein zerbricht dabei, die Brocken werden von den
Geologen Pyroklasten genannt. Diese Brocken, heiße
Asche, Staub und Gase können Glutwolken bilden, sogenannte pyroklastische
Ströme – da diese sich sehr schnell bewegen, gehören sie
zu den gefährlichsten Folgen eines Vulkanausbruchs (siehe
hier). Trifft ein pyroklastischer Strom auf einen Fluss, ein
Schneefeld oder auf starken Regen, entstehen Lahare
genannte Schlammströme; ein solcher begrub 1985 in Kolumbien nach
dem Ausbruch des Nevado del Ruiz die Stadt Armero und führte zum Tod
von 25.000 Menschen.
Pyroklastischer Strom
beim Ausbruch des Mayon auf den Phillippinen 1984.
Foto: United States Geological Survey, public domain.
Supervulkane
Das Wort “Supervulkan” wurde durch eine BBC-Dokumentation aus dem
Jahr 2000 geprägt und findet sich noch nicht in den Lehrbüchern; der
US Geological Survey versteht darunter Vulkane, die bei einem
Ausbruch mehr als 1.000 Kubikkilometer Material auswerfen (zum
Vergleich: bei Ausbruch des Pinatubo 1991 waren es 10
Kubikkilometer). Ein Supervulkan brach zum Beispiel vor 640.000
Jahren im Gebiet des heutigen US-Nationalparks Yellowstone
aus, dabei entstand eine Caldera, die fast die Hälfte des
Nationalparks ausmacht. Yellowstone liegt über einem weiterhin
aktiven “hot spot”, aber infolge der Plattenverschiebung liegt heute
dickere Kruste mit den Rocky Mountains über der Magmakammer –
optimistische Forscher hoffen daher, dass der nächste Ausbruch “nur”
ein normaler Vulkan und nicht wieder ein Supervulkan sein wird.
mehr:
When Yellowstone Explodes (National Geographic Society,
englischsprachig)
Ein weiterer Supervulkan, der Toba im Norden von Sumatra, brach vor
74.000 Jahren aus. Seine Caldera bildet heute den Tobasee. Knapp
2.800 Kubikkilometer Vulkanmaterial wurden ausgeworfen, und der
dadurch verursachte “vulkanische Winter” in einer ohnehin kalten
Zeit brachte nach Ansicht mancher Wissenschaftler die Menschheit an
den Rand des Aussterbens (hier).
"Vulkanischer
Winter"
Als “Vulkanischen Winter” bezeichnet man die
Abkühlung der Erdatmosphäre nach einem Vulkanausbruch. Ursache sind
Staub und Gase, die sich in der Stratosphäre (hier)
verteilen und die Sonneneinstrahlung abschwächen. Der Ausbruch des
Pinatubo im Jahr 1991 führte beispielsweise im in der ersten Hälfte
der 1990er Jahre zu einer Abkühlung um 0,5 Grad Celsius.
Vulkane und das Ökosystem Erde
Bereits in der Frühzeit der Erde haben von Vulkanen freigesetzte
Gase die sekundäre Erdatmosphäre gebildet und dazu beigetragen, dass
der Ozean entstanden ist (hier).
Vulkanausbrüche haben dann dafür gesorgt, dass in diesem Ozean die
ersten Protokontinente entstanden (hier);
und noch heute sind die Vulkane aktiver Bestandteil des Gesteins- (hier)
und Kohlenstoffkreislaufs (hier)
der Erde.
An den mittelozeanischen Rücken kommen außerdem kaltes Tiefenwasser
und heißes Gestein in Berührung, wobei zum einen Wasser aufgeheizt
wird – die Rücken sind für fast 60 Prozent des Wärmeübergangs vom
Erdinneren nach außen verantwortlich -; zum anderen Metallionen aus
der Kruste von heißem Wasser gelöst werden und bei Kontakt mit
kaltem Wasser als Sulfidminerale wieder ausfallen. Damit
beeinflussen die unterseeischen Vulkane die chemische
Zusammensetzung des Meerwassers (und zwar etwa genauso stark wie die
Auswaschungen vom Land), und durch die Ausfällungen entstehen Erze,
die reich an Zink, Kupfer und Eisen sind. Hierbei entstehen auch
ganz eigene Ökosysteme, etwa die an Sulfidmineralien reichen “Black
Smokers” (Schwarze Raucher) oder die “White Smokers” (Weiße Raucher)
(mehr).
Da hier die sehr urtümlichen Archaebakterien leben, sind manche
Wissenschaftler davon überzeugt, dass in diesen Ökosystem sogar das
Leben auf der Erde entstand (hier).
Epochen verstärkter Vulkanaktivität haben vermutlich auch zu den
großen Massenaussterben der Erdgeschichte beigetragen: So gelten
etwa die Vulkanausbrüche vor 250 Millionen Jahren, bei denen der
Sibirische Trapp entstanden ist, als eine der Ursachen für das
Massenaussterben am Ende des Perm (hier).
Zu den Folgen großer Vulkanausbrüche gehört auch eine Abkühlung der
Erdatmosphäre (hier).
Aber auch nach dem Ende eines Vulkanausbruchs geht der Austausch
weiter: Oft werden noch jahrhundertelang Gase und heißes Wasser
abgegeben. Wo in den Gasen Schwefelwasserstoff enthalten ist, stinkt
es zwar gewaltig, aber durch die Oxidation mit Luftsauerstoff
entsteht elementarer Schwefel, der oftmals wirtschaftlich abbaubar
ist. Wo Wasser durch Magma aufgeheizt wird, entstehen
Touristenattraktionen wie der Geysir “Old Faithful” im
Yellowstone-Nationalpark; oft lässt sich die Wärme auch als
Energiequelle nutzen (geothermische Energie): Die isländische
Hauptstadt Reykjavik wird fast vollständig durch Erdwärme beheizt;
und bei Temperaturen von über 180 Grad Celsius lässt sich sogar
Strom erzeugen: “The Geysers” nördlich von San Francisco liefern
über 600 Megawatt Strom, soviel wie ein Kohlekraftwerk.
Vulkanausbrüche und Geschichte
Manche Historiker vermuten, dass der Ausbruch eines Vulkans auf der
heutigen Insel Santorin in der Ägäis im Jahr 1623 vor unserer Zeit
den Mythos vom verschwundenen Kontinent Atlantis begründet hat. Der
Ausbruch muss gewaltig gewesen sein; die Caldera mit 60 Kilometern
Umfang und einer Tiefe von 500 Metern bezeugt dies. Im östlichen
Mittelmeerraum wurden zahlreiche Küstenstädte durch Tsunamis
zerstört; und die minoische Kultur wurde schwer angeschlagen (hier).
In den letzten 500 Jahren kosteten Vulkane über 250.000
Menschenleben. Die meisten Menschen starben durch pyroklastische
Ströme (siehe oben), durch Hungersnöte, Tsunamis und Schlammlawinen.
Die drei verheerendsten Vulkanausbrüche
der letzten 500 Jahre
- Tambora 1815: Der Ausbruch des Tambora am 10.
April 1815 auf der indonesichen Insel Sumbawa setzte geschätzte
160 Kubikkilometer Material frei, nach der anschließenden
Caldera-Bildung war der Vulkan statt vorher 4.300 Meter noch 2.851
Meter hoch. Er kostete 92.000 Menschen auf Sumbawa und Lombok das
Leben, dazu kommt eine nur schwer zu schätzende Zahl an Menschen,
die weltweit den Hungersnöten zum Opfer fielen, die durch den
“vulkanischen Winter” verursacht wurden.
- Krakatau 1883: Der Ausbruch des Krakatau auf
der gleichnamigen indonesischen Insel am 27. August 1883 setzte 18
Kubikkilometer Material frei; auch hier stürzte die Magmakammer
ein und bildete eine Caldera. Der Ausbruch und die beim Einsturz
der Magmakammer ausgelösten Tsunamis zerstörten 165 Städte und
Dörfer und töteten über 36.000 Menschen.
- Mont Pelée 1902: Am 8. Mai 1902 brach der auf
Martinique gelegene Mont Pelée und zerstörte die damalige
Inselhauptstadt Saint-Pierre und tötete etwa 29.000 Menschen.
Gibt es Schutz
vor Vulkanausbrüchen?
Verhindern kann man Vulkanausbrüche nicht, aber
sowohl beim Ausbruch des Mount St. Helens im Jahr
1980 als auch beim Ausbruch des Pinatubo auf den
Philippinen 1991 wurde der Ausbruch vorab an bestimmten Vorzeichen
(Erdbeben, Aufwölbungen, Hebungen) erkannt und die Umgebung
evakuiert; in beiden Fällen kamen nur wenige Menschen ums Leben, die
den Anordnungen nicht gefolgt waren. Auch die Bewohner der Stadt
Rabaul auf Papua-Neuguinea konnten 1994 vor
Vulkanausbrüchen gewarnt werden. Die beste Vorsorge bestünde darin,
im möglicherweise von Vulkanausbrüchen betroffenen Gebieten die
Landnutzung zu beschränken. Dies ist aber nicht immer möglich –
viele Menschen leben gerade von den mineralstoffreichen Böden in der
Umgebung der Vulkane: Auf der vulkanreichen indonesischen Insel Java
sterben immer wieder viele Menschen bei Vulkanausbrüchen – dass es
hier so viele Menschen gibt, hat auch damit zu tun, dass die Düngung
durch Vulkanasche drei Reisernten im Jahr erlaubt. Dann besteht die
zweitbeste Vorsorge im Aufbau von Warnsystemen und der Durchführung
von Evakuierungsübungen. Absolut zuverlässig sind die Vorhersagen
aber nicht, und in Ballungsgebieten wie Seattle und Tacoma, die in
der Nähe des Mount Rainier im US-Bundesstaat Washington liegen, oder
Neapel am Vesuv, könnte ein nicht vorhergesagter Ausbruch jederzeit
Tausende von Menschenleben fordern.
Vulkane in Deutschland
Auch in Deutschland gab es Vulkane: Sie stehen mit der Hebung der
Alpen im Zusammenhang, als größte geologische Sperrzone entstand
dabei der Oberrheingraben. Die jüngsten Ausbrüche fanden in der
Eifel statt und sind gerade 12.900 (Laacher See) und 11.000 Jahre
(Ulmener Maar) her. Aufsteigendes Kohlendioxid am Laacher See sagt
den Geologen, dass diese Vulkane noch nicht endgültig erloschen
sind. Erdbeben gibt es am Oberrheingraben regelmäßig (meist sind sie
schwach, aber im Jahr 1356 zerstörte ein heftiges Erdbeben die Stadt
Basel); und auch ein Vulkanausbruch ist nicht für alle Zukunft
sicher auszuschließen.
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