Ausbruch zwischen Himmel und Erde

Meteorologen und Vulkanologen beenden erfolgreiche Kooperation, von der VolkswagenStiftung mit rund einer Million Euro unterstützt.

Seit Tagen schon stößt der Ätna glühende Lava aus, noch aus großer Höhe zeigen Satellitenbilder die Ausbreitung der Rauchfahne über dem Mittelmeerraum. Der Ätna spielt wieder einmal Schicksal, und wie immer, wenn das Schicksal zuschlägt, ist der Zeitpunkt wenig vorhersehbar. Wird der
Vulkan richtig ausbrechen? Was schleudert er dabei alles in die Umgebung, in die Luft? Und: Wie wird von dem Ausbruch das Wetter beeinflusst?

Mit diesen und angrenzenden Fragen hat sich in den vergangenen fünf Jahren – von der VolkswagenStiftung mit knapp einer Million Euro unterstützt – ein internationales Team von Vulkanologen und Meteorologen beschäftigt. Die Forschungsarbeiten unter Federführung der Wissenschaftler Professor Dr. Hans-F. Graf vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg und Professor Dr. Hans-Ulrich Schmincke, Vulkanologe am Forschungszentrum für marine Geowissenschaften (GEOMAR) in Kiel, haben vor allem ein Ziel: den Einfluss vulkanischer Aktivitäten auf das Klima der Erde besser zu verstehen.

Vulkanologe Schmincke und sein Team untersuchten dabei, was ein Vulkan ausspuckt. An Vulkanen in Chile, Indonesien, im Grenzgebiet von China und Nordkorea sowie am Laacher See in Deutschland bestimmten sie das eruptierte Material: Bims und dessen fein zerriebene Teilchen – allgemein „Asche“ genannt -, ferner die in Magmakammern tief unter der Erde kristallisierten Minerale, die Schmelztröpfchen und Gase enthalten. Chemische Analysen der in diesen Mineralen und dem Bimsglas eingeschlossenen „Volatilen“ – also flüchtigen Substanzen wie Schwefel, Kohlendioxid, Fluor oder Chlor -sowie die bei der Eruption entgasten „Gläser der Bimse“ geben den Forschern Aufschluss über den Mechanismus der Eruption, über die gesamte frei gesetzte Masse an flüchtigen Stoffen und die Höhe der Eruptionssäule.
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Kontakt Vulkanologie: GEOMAR, Kiel, Prof. Dr. Hans-Ulrich Schmincke, Tel.: 0431/600-2257, Fax: 0431/6002924, E-Mail: hschmincke@geomar.de; oder: H-U.Schmincke@t-online.de
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Das Ziel des Meteorologen Graf und seiner Gruppe hingegen war es, am Computer zu simulieren, „was oben ankommt“ – also ein numerisches Modell zu entwickeln, das mit den Ergebnissen der Vulkanologen die Entwicklung der Eruptionswolke und deren Wechselwirkungen mit der Umgebung nachspielt. Dieses Modell namens ATHAM (Active Tracer High Resolution Atmospheric Model) ist inzwischen so erfolgreich und in der Fachwelt derart anerkannt, dass viele Vulkanologen es weltweit übernommen haben. Inzwischen wird es auch zur Simulation der Rauchentwicklung bei Waldbränden herangezogen – und neuerdings liegt sogar eine Anfrage von Astrophysikern vor. Denn möglicherweise eignet sich das Modell auch zur Simulation der Planetenentstehung.
Der Erfolg von ATHAM hat einen Grund. Bei Vorgängermodellen wurde bislang jede Partikelart separat gerechnet – ein aufwändiger, meist wenig effektiver Weg, dessen Schwächen in der Handhabung, der mangelnden Voraussage der Gesamtentwicklung und in der Einschränkung auf sehr kleine räumliche Gebiete liegen. ATHAM dagegen analysiert die Partikel in ihrer Gesamtheit und muss daher nur eine komplexe Gleichung rechnen. Dieses Modell ist unschlagbar, geht es um die Entwicklung der Gesamtwolke etwa nach einem Vulkanausbruch und die Wechselwirkungen mit der Umgebung. Und es kann weit mehr äußere Faktoren berücksichtigen: etwa die Umgebungstemperatur. Unschlagbar ist es auch in der Anwendung. Es besteht aus einer festen, stabilen Kernrechnung, die je nach Bedarf durch einzelne, individuell anpassbare Module ergänzt wird. Ein Beispiel: Normalerweise wird der Berechnung ein einfaches Wolkenmodell zu Grunde gelegt. Zielt die Fragestellung aber gerade auf Wechselwirkungen in eben diesem Bereich, lässt sich ein aufwändigeres Wolkenmodell einbauen. Das Beste daran: Das Modell läuft auf einer normalen Workstation und längst mit komfortabler Benutzeroberfläche.
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Kontakt Meteorologie: MPI für Meteorologie, Hamburg, Prof. Dr. Hans-F. Graf, Tel.: 040/41173-247/-259, Fax: 040/441787, E-Mail: graf@dkrz.de
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Bei zwei von der VolkswagenStiftung finanzierten internationalen Workshops in Hamburg und eben in Sizilien am Fuße des Ätnas haben die Forscher ihr Modell vorgestellt. ATHAM simuliert aber nicht nur spektakuläre Ausbrüche, sondern auch die stille Entgasung vieler Vulkane – und hier schließt sich der Kreis zu einem weiteren aktuell von der VolkswagenStiftung geförderten Projekt.

So untersucht Dr. Peter-M. Sachs, Mitarbeiter in der Abteilung Vulkanologie am Kieler Forschungszentrum für marine Geowissenschaften, ebenfalls die Gasemissionen in die Atmosphäre. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des „Instituto Nicaraguense de Estudios Territoriales“ arbeitet er in Nicaragua – einem Land mit hoher Vulkandichte – an einem Projekt, dessen vorrangiges Ziel es ist, die Gasproben verschiedener Vulkane ebenso wie die kleinerer Entgasungsstellen zu analysieren und per Infrarotspektroskopie zu identifizieren. Die Forscher wollen auch hier dem Einfluss der Gase auf die Atmosphäre auf die Spur kommen. Da sich zudem größere Aktivitäten eines Vulkans vorab durch eine veränderte Gaszusammensetzung ankündigen, eröffnet sich eine zusätzliche Chance, denn: „Die Zusammensetzung analysiert man natürlich einfach mit – und trägt so zum Frühwarnsystem in Nicaragua bei“, erläutert Sachs den praktischen, in dem mittelamerikanischen Land sehr begrüßten Nebeneffekt der gemeinsamen Arbeit. Damit belegt die geförderte deutsch-nicaraguanische Kooperation zu guter Letzt: Grundlagenforschung und direkt nutzbare Anwendung können sich bestens ergänzen.
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Kontakt: GEOMAR, Kiel, Dr. Peter-M. Sachs, Tel.: 0431/600-2130, E-Mail: p.sachs@geomar.de

Kontakt Förderung VolkswagenStiftung: Dr. Hans J. v. Lengerke, Tel.: 0511/8381-389, E-Mail:  lengerke@volkswagenstiftung.de

Kontakt Presse- und Öffentlichkeitsarbeit VolkswagenStiftung: Christian Jung, Tel.: 0511/8381-380, E-Mail:  jung@volkswagenstiftung.de