Bläschen führen zum Desaster

?Solche Ausbr¨¹che von Vulkanen k?nnen gewaltig sein, und sie f?rdern enorm viel Asche und Schwefel an die Oberfl?che und in die Atmosph?re?, sagt Andrea Parmigiani, Postdoc am Institut f¨¹r Geochemie und Petrologie der ETH Z¨¹rich. ?Wir wissen zwar schon l?nger, dass Gasblasen dabei eine grosse Rolle spielen, wie sich diese jedoch in Magmakammern anreichern, dar¨¹ber konnten wir bisher nur spekulieren.?

Der Forscher hat deshalb mit weiteren Wissenschaftlern der ETH Z¨¹rich und des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) das Verhalten der Bl?schen 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 z?hfl¨¹ssiger kristallarmer Schmelze, und eine untere, die reich ist an Kristallen und Poren.

Superblasen schl?ngeln 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 fl¨¹chtigen Stoffe hoch ist. Sie reichern sich hingegen in dar¨¹ber liegenden, schmelzenreichen Abschnitten der Magmakammer an?, sagt Parmigiani.

Er erkl?rt sich dies so: Nimmt der Anteil an Blasen in den Poren der kristallreichen Schicht zu, verschmelzen einzelne kleine Blasen zu fingerartigen Kan?len. Diese nehmen Fahrt auf und verdr?ngen dabei im Porenraum vorhandene hoch viskose Schmelze. Diese fingerartigen Kan?le erm?glichen es dem darin enthaltenen Gas schneller aufzusteigen. Die Blasen m¨¹ssen dazu allerdings mindestens zehn bis f¨¹nfzehn Prozent des Porenraums ausf¨¹llen. ?K?nnen sich diese Dampfkan?le nicht bilden, bleiben Einzelblasen mechanisch gefangen?, sagt der Forscher.

Gelangen die fingerartigen Kan?le an die Grenze zur kristallarmen Schmelze l?sen sich kugelige Einzelblasen ab. Diese steigen zwar weiter zur Oberfl?che auf, ihre Wandergeschwindigkeit verringert sich jedoch, je mehr Blasen am Aufsteigen sind. Der Grund: Jede Blase schiebt eine Bugwelle z?hfl¨¹ssiger Schmelze vor sich her und dr¨¹ckt diese beiseite. Gelangt die benachbarte Blase in den Bereich dieses r¨¹ckw?rts 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 z?hfl¨¹ssigen Silikonl?sung aufsteigen.

Blasen bauen hohen Druck auf

?Durch diesen Mechanismus k?nnen sich sehr viele Gasblasen in der kristallarmen Schmelze unter dem Dach der Magmakammer anreichern. Das f¨¹hrt schliesslich zu einem ?berdruck in der Kammer?, sagt Parmigiani. Und weil die Blasen auch Schwefel enthalten, werde dieser mitangereichert. So k?nne man erkl?ren, weshalb ein solcher Vulkan mehr Schwefel ausstosse, als aufgrund der Gesteinszusammensetzung zu erwarten sei.

Was dies f¨¹r die Explosivit?t 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 zuk¨¹nftiger 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 Z¨¹rich und einen Supercomputer am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum CSCS in Lugano. Die Software, die Parmigiani verwendete, stammt aus der Open Source-Bibliothek externe Seite Palabos, die er in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universit?t Genf weiterentwickelt. ?Diese Software ist f¨¹r diese Art von Simulationen besonders geeignet?, sagt der Physiker.