Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vulkanologie: Bläschen führen zum Deaster

14.04.2016

Warum interessieren sich Vulkanologen für Dampfblasen? Weil sich diese in einer Magmakammer unter einem Vulkan anreichern und ihn für einen Ausbruch scharfmachen. Forscher der ETH Zürich und des Georgia Institute of Technology haben nun herausgefunden, wie sich Blasen in der Magma anreichern können.

Im Jahr 1816 blieb in Mitteleuropa der Sommer aus. Die Menschen litten Hunger. Ein Jahr zuvor war in Indonesien der Vulkan Tambora ausgebrochen. Er schleuderte grosse Mengen Asche und Schwefel in die Atmosphäre. Diese Partikel blockierten das Sonnenlicht und kühlten dadurch das Klima. Dies wirkte sich auch in der Schweiz gravierend auf Land und Leute aus.


Vulkan Tambora auf Sumbawa: Sein explosiver Ausbruch vor 200 Jahren kühlte vorübergehend das Klima und führte zu einem Jahr ohne Sommer.

Bild: JialiangGao / Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0)

Vulkanologen haben mittlerweile eine ziemlich genaue Vorstellung davon, weshalb Supervulkane wie der Tambora nicht nur sehr explosiv sind, sondern auch weshalb sie so viel Schwefel freisetzen: In der obersten Schicht einer Magmakammer, die nur wenige Kilometer tief unter der Erdoberfläche liegt, können sich Gasblasen anreichern. Dadurch baut sich Druck auf, der sich durch den Vulkanausbruch schlagartig abbaut. In diesen Blasen ist vor allem Wasserdampf eingeschlossen, aber auch Schwefel.

Schwefelreiche Ausbrüche

«Solche Ausbrüche von Vulkanen können gewaltig sein, und sie fördern enorm viel Asche und Schwefel an die Oberfläche und in die Atmosphäre», sagt Andrea Parmigiani, Postdoc am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich. «Wir wissen zwar schon länger, dass Gasblasen dabei eine grosse Rolle spielen, wie sich diese jedoch in Magmakammern anreichern, darüber konnten wir bisher nur spekulieren.»

Der Forscher hat deshalb mit weiteren Wissenschaftlern der ETH Zürich und des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) das Verhalten der Bläschen mit einem Computermodell studiert. Die Wissenschaftler haben theoretische Berechnungen und Laborexperimente angestellt und dabei insbesondere untersucht, wie sich Blasen in kristallreichen und kristallarmen Schichten der Magmakammer nach oben bewegen. In vielen Vulkansystemen besteht die Magmakammer zur Hauptsache aus zwei Zonen: Eine obere Schicht, bestehend aus zähflüssiger kristallarmer Schmelze, und eine untere, die reich ist an Kristallen und Poren.

Superblasen schlängeln sich durch Labyrinth

Zu Beginn des Projekts gingen Parmigiani sowie Christian Huber vom Georgia Tech und Olivier Bachmann von der ETH davon aus, dass der Aufstieg der Blasen in kristallreichen Zonen des Magmareservoirs stark verlangsamt wird. In kristallarmen Bereichen jedoch sollten die Blasen schneller aufsteigen. «Stattdessen haben wir herausgefunden, dass Blasen in kristallreichen Zonen schneller aufsteigen, wenn gleichzeitig auch der Anteil an flüchtigen Stoffe hoch ist. Sie reichern sich hingegen in darüber liegenden, schmelzenreichen Abschnitten der Magmakammer an», sagt Parmigiani.

Er erklärt sich dies so: Nimmt der Anteil an Blasen in den Poren der kristallreichen Schicht zu, verschmelzen einzelne kleine Blasen zu fingerartigen Kanälen. Diese nehmen Fahrt auf und verdrängen dabei im Porenraum vorhandene hoch viskose Schmelze. Diese fingerartigen Kanäle ermöglichen es dem darin enthaltenen Gas schneller aufzusteigen. Die Blasen müssen dazu allerdings mindestens zehn bis fünfzehn Prozent des Porenraums ausfüllen. «Können sich diese Dampfkanäle nicht bilden, bleiben Einzelblasen mechanisch gefangen», sagt der Forscher.

Gelangen die fingerartigen Kanäle an die Grenze zur kristallarmen Schmelze lösen sich kugelige Einzelblasen ab. Diese steigen zwar weiter zur Oberfläche auf, ihre Wandergeschwindigkeit verringert sich jedoch, je mehr Blasen am Aufsteigen sind. Der Grund: Jede Blase schiebt eine Bugwelle zähflüssiger Schmelze vor sich her und drückt diese beiseite. Gelangt die benachbarte Blase in den Bereich dieses rückwärts gerichteten Schmelzenflusses, wird sie gebremst.

Diesen Vorgang konnten Parmigianis Kollegen Salah Faroughi und Christian Huber mit einem Labor-Experiment am Georgia Tech aufzeigen. Sie verwendeten dazu Wasserblasen, die in einer zähflüssigen Silikonlösung aufsteigen.

Blasen bauen hohen Druck auf

«Durch diesen Mechanismus können sich sehr viele Gasblasen in der kristallarmen Schmelze unter dem Dach der Magmakammer anreichern. Das führt schliesslich zu einem Überdruck in der Kammer», sagt Parmigiani. Und weil die Blasen auch Schwefel enthalten, werde dieser mitangereichert. So könne man erklären, weshalb ein solcher Vulkan mehr Schwefel ausstosse, als aufgrund der Gesteinszusammensetzung zu erwarten sei.

Was dies für die Explosivität eines bestimmten Vulkans bedeutet, ist allerdings noch unklar. «Diese Studie konzentriert sich auf die Grundlagen des Gasflusses in einer Magmakammer. Einen direkte praktische Anwendung wie die Voraussage des Verhaltens eines Vulkans bleibt Gegenstand zukünftiger Forschung», sagt der Forscher.

Computermodelle bilden nicht die ganze Magmakammer ab, sondern nur einen winzigen Ausschnitt davon; einen Quader von wenigen Kubikzentimetern, der eine scharfe Grenze zwischen kristallarmer und kristallreicher Schicht aufweist. Nur schon um dieses kleine Volumen zu berechnen, benutzte Parmigiani Hochleistungsrechner wie den Euler-Cluster an der ETH Zürich und einen Supercomputer am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum CSCS in Lugano.

Die Software, die Parmigiani verwendete, stammt aus der Open Source-Bibliothek Palabos, die er in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität Genf weiterentwickelt. «Diese Software ist für diese Art von Simulationen besonders geeignet», sagt der Physiker.

Literaturhinweis

Parmigiani A, Faroughi S, Huber C, Bachmann O, Su Y. Bubble accumulation and its role in the evolution of magma reservoirs in the upper crust. Nature, Advanced Online Publication 13th April 2016. doi:10.1038/nature17401

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/04/blasen-anr...

Peter Rüegg | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Berichte zu: Asche Atmosphäre Blase Blasen Bläschen ETH Gasblasen Magmakammer Schmelze Software Vulkan Vulkanologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Klimawandel schwächt tropische Windsysteme
20.10.2017 | MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

nachricht An der Wurzel des Amazonas: Bodentiefe bestimmt Vegetationstyp
20.10.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise