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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.

Foto von oben in den Krater des Tambora, eines indonesischen Vulkans

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.

Zeichnung mit den aktiven Vulkanen der Erde

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.

Foto des Grand Canyon im Yellowstone-Nationalpark

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.

Foto des Ausbruchs des Vulkans Mayon, auf dem ein pyroklastischer Strom zu sehen ist

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 folgenden Jahr 1992 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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© Jürgen Paeger 2006 - 2014

Der Sibirische Trapp ist ein riesiger Flutbasalt, der mehrere Kilometer dick eine mehrere Millionen Quadratkilometer umfassende Fläche im west- und nordsibirischen Tiefland sowie im mittel- sibirischen Bergland umfasst.