Tonga-Vulkan: Forschende staunen über Wellenmuster in der Atmosphäre

Die Analyse von Satellitendaten mit dem Jülicher Supercomputer JUWELS machte außergewöhnliche Muster von Schwerewellen sichtbar, wie sie bislang bei keinem anderen Vulkanausbruch beobachtet wurden. Die renommierte Fachzeitschrift Nature berichtete. Dr. Lars Hoffmann vom Jülich Supercomputing Centre erläutert im Interview den Hintergrund dieses einzigartigen Naturphänomens.

Schon zum Jahreswechsel rumorte der Unterseevulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai. Am 15. Januar 2022 folgte dann eine überaus heftige Eruption, deren Echo bis Alaska zu hören war. Der Ausbruch verwüstete mehrere Inseln des südpazifischen Inselstaats Tonga durch Wasserfluten und Ascheregen. Seit wenigen Tagen erreichen nun erste Hilfslieferungen das 2.400 Kilometer nördlich vor Neuseeland liegende Königreich. Doch der Vulkan löste nicht nur einen folgenschweren Tsunami an den Küsten und eine massive Druckwelle in bodennahen Luftschichten aus. Er verursachte zudem ein sich über 10.000 Kilometer ausbreitendes konzentrisches Muster von sogenannten Schwerewellen in der Stratosphäre. Das sind Luftschwingungen, die das Klimageschehen weltweit beeinflussen. Sichtbar wurde dieses einzigartige Naturphänomen durch eine spezielle Analyse von Daten, die der Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) des Aqua-Satelliten der NASA liefert und welche kontinuierlich auf dem Jülicher Supercomputer JUWELS ausgewertet werden.
Drei Fragen an Dr. Lars Hoffmann vom Jülich Supercomputing Centre

Welches Ziel verfolgen Sie mit den Messdaten des AIRS-Instruments?

Dr. Lars Hoffmann: Mit Hilfe der Messdaten machen wir Schwerewellen in der Stratosphäre sichtbar. Schwerewellen sind Luftschwingungen und sie entstehen üblicherweise wenn starke Winde auf hohe Gebirge treffen, wie die Anden oder Felsformationen in der Antarktis oder Norwegen, oder auch bei starken Gewitterstürmen, als Folge von rasch aufsteigender warmer Luft. Sie breiten sich von ihrem Entstehungsort vertikal nach oben aber auch horizontal zur Seite aus. Normalerweise brechen diese Wellen nach einigen hundert Kilometern. Ich habe eine Software entwickelt, mit denen die AIRS-Daten kontinuierlich analysiert werden. Aktuelle Resultate veröffentlichen wir täglich auf einer frei zugänglichen Internetseite, so dass auch andere Forschende davon profitieren.

Welche Rolle spielen diese Schwerewellen?

Hoffmann: Schwerewellen spielen eine zentrale Rolle für die Dynamik der Atmosphäre. Sie beeinflussen Winde, Temperaturen und die Zusammensetzung der mittleren und oberen Erdatmosphäre und somit das Wetter- und Klimageschehen auf der gesamten Welt. Sie können sogar den Polarwirbel über der Antarktis schwächen. Zudem tragen Schwerewellen zur Wolkenbildung bei und beeinflussen die Luftzirkulation in der Stratosphäre bis in Höhen von 50 Kilometern und darüber hinaus. Es ist wichtig, Schwerewellen korrekt in Wetter- oder Klimamodelle einzurechnen, sonst erhält man ungenaue Prognosen.

Was ist das Besondere an der Wellenformation, die durch den Ausbruch des Vulkans Hunga Tonga-Hunga Ha’apai verursacht wurde?

Hoffmann: Die Satellitenmessung des konzentrischen und über 10.000 Kilometer reichenden Wellenmusters in der Stratosphäre ist bisher einzigartig. Als der Pinatubo 1991 mit noch größerer Wucht ausbrach, gab es keinen entsprechenden satellitengestützten Infrarot-Sensor. Bei kleineren Vulkanausbrüchen der vergangenen 20 Jahre zeigten die AIRS-Daten keine vergleichbaren Luftschwingungen. Eine Theorie ist, dass Schwerewellen bei einem sehr heftigen Vulkanausbruch wie dem kürzlich in Tonga durch das rasche Aufsteigen von heißer Asche und Luft in die Stratosphäre ausgelöst werden. Für das Wetter oder Klima wird dieses einzelne relativ kurze Schwerewellen-Ereignis nach erster Einschätzung keine langfristigen Folgen haben. Für die Forschung ist das Naturphänomen aber von großem Wert: Wir prüfen damit, ob unsere Klima- und Wettermodelle die Bildung und Ausbreitung von Schwerewellen korrekt wiedergeben. Mit den Daten aus der Natur verbessern wir dann die Prognosekraft der Simulationsrechnungen für eine treffendere Vorhersage. Bei aller Begeisterung über die wissenschaftlichen Beobachtungen sollten wir aber nicht vergessen, dass der Vulkanausbruch für die Menschen vor Ort ein Schicksalsschlag ist.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Lars Hoffmann
Jülich Supercomputing Centre (JSC)
Tel.: +49 2461 61-1978
E-Mail: l.hoffmann@fz-juelich.de

Originalpublikation:

Nature News „Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere“ vom 18. Januar 2022, DOI: 10.1038/d41586-022-00127-1 https://www.nature.com/articles/d41586-022-00127-1

„Tonga-Vulkan: Mysteriöse Wellen in der Atmosphäre entdeckt“ vom 19. Januar 2022 auf Spektrum.de (deutsche Übersetzung des Nature-Beitrags) https://www.spektrum.de/news/tonga-vulkan-mysterioese-wellen-in-der-atmosphaere-…

Weitere Informationen:

https://datapub.fz-juelich.de/slcs/airs/gravity_waves/ Datenportal und Nah-Echtzeitanalyse von Schwerewellen durch das AIRS-Instrument auf dem Aqua-Satelliten der NASA
https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2022/2022-01-24-sc… Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich mit Bildmaterial