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Wissenschaftler haben einen überraschenden neuen Auslöser in vulkanischen Förderkanälen entdeckt: Scherkräfte, die das Magma quasi "kneten" und lange bevor ein Druckabfall eintritt Gasblasen erzeugen. Dieser Mechanismus hilft zu erklären, warum manche gasreiche Eruptionen ruhig bleiben, während andere explosionsartig verlaufen. Im Folgenden wird erläutert, welche Bedeutung diese Entdeckung für das Verständnis vulkanischer Gefahren hat und wie Forscher den Prozess im Labor und am Computer nachgebildet haben.
Neue Studien zeigen, dass vulkanisches Magma Gasblasen nicht nur durch Druckabfall bei Aufstieg erzeugen kann, sondern auch durch innere Scherkräfte, die das geschmolzene Gestein mechanisch beeinflussen. Diese scherbetriebenen Blasen können entweder eine explosive Beschleunigung auslösen oder Entgasungskanäle öffnen, die eine ansonsten heftige Eruption beruhigen. Die Erkenntnis erweitert das klassische Bild von Entgasung und Blasenbildung und ist relevant für Eruptionsprognosen, Vulkanüberwachung und Gefahreneinschätzung.
Rethinking bubble formation: more than a pressure story
Seit Jahrzehnten basierte die Standarderklärung für Blasenbildung im Magma vor allem auf Dekompression. Wenn Magma zur Oberfläche steigt, nimmt der Umgebungsdruck ab und gelöste Gase scheiden sich aus – ähnlich wie Kohlendioxid, das beim Öffnen einer Champagnerflasche ausgast. Bilden sich zahlreiche Blasen, wird das Magma auftriebstärker, beschleunigt nach oben und kann sich fragmentieren, was eine explosive Eruption zur Folge hat. Dieses klassische Modell ist fundamental für das Verständnis von Plinian- und vulkanexplosiven Ereignissen und bleibt eine Kernkomponente der Vulkanologie und Magmendynamik.
Feldbeobachtungen zeigen jedoch seit langem Ausnahmen, die das einfache Druckmodell infrage stellen. Einige Vulkane mit gasreichem, zähflüssigem Magma – Bedingungen, die üblicherweise mit gewaltsamen Ausbrüchen assoziiert werden – haben stattdessen langsame, zähflüssige Lavazuflüsse abgegeben. Beispiele wie Mount St. Helens in den USA und der chilenische Vulkan Quizapu illustrieren, dass der Gasgehalt allein nicht ausreichend ist, um das Eruptionsverhalten zu erklären. Solche Fälle machten klar, dass zusätzliche physikalische Prozesse die Blasenbildung, Entgasung und das Aufstiegsverhalten des Magmas beeinflussen.
Die neue Forschung ergänzt die bisherige Rezeptur um eine entscheidende Zutat: Scherung. Wenn Magma durch einen Förderkanal fließt, bewegt sich die Schmelze in der Kanalmitte in der Regel schneller als an den Wänden, wodurch Geschwindigkeitsgradienten entstehen. Diese Gradienten erzeugen Scherspannungen im fließenden Magma und können, wie die Forscher nun zeigen, direkt Blasensetzung (Nukleation) und -wachstum induzieren. Die Rolle der Scherung verbindet Konzepte aus der Fluidmechanik und Rheologie mit der physikalisch‑chemischen Beschreibung von Entgasung und erweitert die Parameter, die für Modellierung und Überwachung relevant sind.
Lab experiments and numerical models: watching bubbles form under shear
Um diesen Effekt zu visualisieren und quantitativ zu erfassen, entwickelten die Autoren der Studie ein kontrolliertes Laboranalogon. Sie verwendeten eine viskose Flüssigkeit, die Schmelzen auf Silikatbasis nachahmt, und sättigten diese Lösung mit Kohlendioxid. Anschließend erzeugten sie Scherung, indem sie die Flüssigkeit relativ zu festen Begrenzungsflächen bewegten – ein Experiment, das das Gleiten von Magma an den Wänden eines Förderkanals simuliert. Solche Laboraufbauten kombinieren rheologische Messungen, hochauflösende Bildgebung und präzise Steuerung von Scherraten, Temperatur und Gasgehalt, um realitätsnahe Bedingungen abzubilden.
Sobald die Scherrate eine bestimmte Schwelle überschritt, erschienen Blasen abrupt – ohne zuvor detektierbaren Druckabfall. Die Nukleation fand bevorzugt in der Nähe der Begrenzungsflächen statt, dort, wo die Scherraten am höchsten waren. Darüber hinaus wirkten bereits vorhandene Blasen als Katalysatoren für weitere Blasenbildung in der Umgebung: Die lokale Störung des Strömungsfeldes und des Druckfeldes um eine Blase erleichtert die Entstehung zusätzlicher Keime. Dieser positive Rückkopplungseffekt kann die Blasenbevölkerung in bestimmten Bereichen des Förderkanals schnell vervielfachen und so die Makrodynamik des Aufstiegs verändern.
Numerische Simulationen überbrückten die Skala vom Laborversuch zu natürlichen Förderkanälen. Die Modelle zeigten, dass scherbetriebene Blasenbildung dort am effizientesten ist, wo viskoses Magma an den Wänden des Konduits entlangfließt und dadurch eine Schichtung von Strömungsgeschwindigkeiten entsteht. Diese Schichtung erzeugt zonal unterschiedliche Scherraten und folglich ein heterogenes Muster aus Blasen und Gaskanälen. Koaleszieren diese Blasen, können sich zusammenhängende Gaspfade bilden, die einen teilweisen oder vollständigen Abfluss von Gas erlauben, noch bevor das Magma die Erdoberfläche erreicht. Solche Gaskanäle reduzieren den Innendruck und können eine ansonsten explosive Entwicklung entschärfen.
Olivier Bachmann, Professor für Vulkanologie und magmatische Petrologie an der ETH Zürich und Koautor der Veröffentlichung, fasst die Neuerung prägnant zusammen: Scherung kann Blasen erzeugen, selbst ohne Dekompression. Diese Einsicht verändert die zeitliche Zuordnung von Entgasungsvorgängen und die Interpretation von Signalen, die Vulkanologen im Vorfeld einer Eruption messen. Sie legt nahe, dass Beobachtungsdaten im Hinblick auf Strömungsdynamik, Förderkanalform und Magmaviskosität neu gewichtet werden sollten.
Why shear can make an eruption calm—or suddenly violent
Der neue Mechanismus erklärt zwei scheinbar widersprüchliche Verhaltensweisen vulkanischer Eruptionen und verbindet mechanische und thermodynamische Prozesse.
- Frühe Entgasung und sanftere Eruptionen: Bei gasreichen Magmen kann Scherung das Wachstum und die Koaleszenz von Blasen bereits tief im Förderkanal auslösen. Diese Blasen können sich zu miteinander verbundenen Entgasungskanälen zusammenfügen, die Gas allmählich abführen. Dadurch wird der Druck inner- und oberhalb des Magmas teilweise abgebaut, bevor es schnell aufsteigt. Das Ergebnis ist häufig eine effusive Phase mit Lavaflüssen statt einer explosiven Freisetzung von Asche und Gesteinsfragmenten. Für Gefahrenmanagement bedeutet das: Orte in der Nähe des Vulkans können unter Umständen länger bewohnbar bleiben, sofern die Entgasung kontinuierlich und kontrolliert erfolgt.
- Schergesteuerte explosive Beschleunigung: Umgekehrt kann ein Magma, das auf den ersten Blick wenig Gas enthält, trotzdem explosionsartig entladen, wenn starke Scherung plötzlich zahlreiche Blasen bildet. Eine rasche Zunahme des Gasvolumens verringert die Dichte des Magmas stark und kann dessen Aufstieg beschleunigen. Beschleunigung und Fragmentation des Magmas führen dann zu einer explosiven Eruption mit Aschewolken und pyroklastischen Strömen. Besonders gefährlich sind Situationen, in denen lokale oder temporäre Änderungen der Scherrate – etwa durch Änderung der Fördergeschwindigkeit oder durch Strukturanpassung des Kanals – solche schnellen Übergänge induzieren.
Historische Fälle illustrieren beide Pfade. Während des Ausbruchs von Mount St. Helens 1980 führte eine anfänglich langsame Ablagerung zähflüssiger Lava im Krater dazu, dass das System lokal entgasen konnte. Erst nachdem ein Erdrutsch das obere Belüftungsfeld schnell öffnete und eine abrupte Dekompression erzeugte, kam es zur katastrophalen Explosion. Diese Abfolge zeigt, wie Kombinationen aus lokalen Entgasungsprozessen, mechanischen Störungen und Druckänderungen das Gesamtergebnis bestimmen können.
Implications for monitoring and hazard assessment
Die Einbeziehung scherbetriebener Blasenmechanik in vulkanische Modelle könnte Prognosen über Eruptionsstil und -zeitpunkt verbessern. Traditionelle Überwachung konzentriert sich auf Gasflussraten, Seismizität, Bodenverformungen und andere Indikatoren, die meist Dekompressions-getriebene Entgasung signalisieren. Scherung jedoch hängt stark von Förderkanalgeometrie, Magmaviskosität und Flussrate ab – Parametern, die sich schnell ändern können und nicht immer direkt durch gegenwärtige Beobachtungen messbar sind. Damit wird ersichtlich, dass ergänzende Messgrößen und Interpretationsrahmen notwendig sind, um scherbetriebene Prozesse zu erfassen.
Die Aktualisierung numerischer Ausbruchssimulationen um scherbetriebene Nukleation hilft Wissenschaftlern zu beurteilen, ob ein bestimmter Vulkan eher dazu neigt, Gas still zu entlassen oder rasch in eine explosive Phase überzugehen. Das hat direkte praktische Konsequenzen für Evakuierungspläne, Flugsicherheit (durch Aschewolken) und langfristige Gefahrenkartierung. Insbesondere die Abschätzung, ob Entgasungskanäle sich bilden oder ob sich Blasen im Förderkanal schnell vermehren, kann entscheidend für Zeitfenster sein, in denen Evakuierungen noch effektiv und verhältnismäßig sind.
Technology and future studies
Zukünftige Arbeiten werden Labor‑Rheologieexperimente mit hochauflösender Konduitbildgebung und verbesserter Echtzeitüberwachung koppeln. Fortschritte in der Fernerkundung, Infraschallanalyse und bei Faseroptik-Dehnungssensoren könnten helfen, Strömungsregime zu detektieren, in denen scherbetriebene Entgasung wahrscheinlich ist. Ferner werden Laborexperimente mit natürlichen Schmelzzusammensetzungen und anderen Flüchtigkeitsgasen als CO2 (beispielsweise H2O, SO2) die Schwellenwerte für Blasenbildung unter Scherung präziser bestimmen. In Kombination mit inversen Modellierungen und Datenassimilation könnten solche Daten die Vorhersagekraft von Eruptionsmodellen erheblich steigern.
Methodisch sind auch interdisziplinäre Ansätze gefragt: Rheologen, Strömungsmechaniker, Petrologinnen und Geochemiker müssen eng zusammenarbeiten, um Laborparameter sinnvoll auf Naturbedingungen zu übertragen. Ebenso wichtig sind Feldstudien, die strukturelle Eigenschaften von Fördersystemen – etwa Wandrauheiten, Verzweigungen und Änderungen des Querschnitts – dokumentieren, da gerade diese Merkmale die lokalen Scherraten stark beeinflussen.
Expert Insight
"Diese Entdeckung schließt eine Lücke in unserem Verständnis vulkanischen Verhaltens", sagt Dr. Maya Reynolds, eine Vulkanologin, die mit Überwachungsbehörden zusammenarbeitet. "Scherung verändert Zeitpunkt und Ort des Blasenwachstums innerhalb eines Konduits. Das kann den Unterschied ausmachen zwischen einem Lavafluss, der Menschen in der Nähe verbleiben lässt, und einer überraschenden explosiven Eruption, die zu Massenevakuierungen zwingt. Die Einbeziehung von Scherung in Vorhersagemodelle könnte Frühwarnungen verlässlicher machen."
Über die Verbesserung von Gefahrenmodellen hinaus erinnert der Befund daran, dass die Prozesse im Erdinneren oft eine Wechselwirkung aus chemischer Physik und Fluidmechanik widerspiegeln. Eine scheinbar subtile Änderung im Fließverhalten der Schmelze kann sich zu einem Kaskadeneffekt auswachsen, der das Eruptionsverhalten grundlegend verändert. Für die Forschung bedeutet das: Kleine, lokalisierte mechanische Effekte dürfen nicht als vernachlässigbar betrachtet werden, wenn sie auf systemrelevante Skalen hochskaliert werden können.
Während Forschungsteams Laborversuche ausweiten, Simulationen verfeinern und Ergebnisse mit Feldmessungen koppeln, wird die Vulkanologie ein breiteres Instrumentarium erhalten, um die nächste Eruption besser abzuschätzen. Vorläufig bleibt die Botschaft eindeutig: Druck ist nicht der alleinige Schiedsrichter der Blasenentstehung – die interne Bewegung des Magmas, seine Scherraten und die Geometrie des Förderkanals sind ebenso entscheidend.
Quelle: scitechdaily
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