die vermessung des vulkans

1 Luftaufnahme (7.4.2010)
profile
vom ersten Vulkanausbruch
Fimmvörduháls (20.03. bis
12.04.2010) zwischen den
Gletschern Eyjafjallajökull
und Mýrdalsjökull.
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LMU-Forschung über den
Eyjafjallajökull-Ausbruch
Die Vermessung des Vulkans
Viele Wochen lang hielt der isländische Vulkan
Eyjafjallajökull im Frühjahr nicht nur Flugreisende, sondern auch Forscher in Atem. An der
LMU waren zum Beispiel Geologen, Vulkanologen und Meteorologen mit verschiedenen Messungen beschäftigt – und gewannen spannende
Einblicke in das Wesen des Vulkans und die Folgen seines Ausbruchs.
Dr. Ulrich Münzer kennt den Eyjafjallajökull aus
verschiedensten Perspektiven: von Satellitenbildern aus dem Weltraum, von Flügen aus einer einmotorigen Maschine und auch von Erkundungen
zu Fuß. Seit vielen Jahren schon überwacht Ulrich
Münzer der Sektion Geologie (Geologische Fernerkundung) des Departments für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU subglaziale Vulkane auf
Island. Eine Besonderheit der Region sei das verhängnisvolle Zusammenspiel von Feuer und Eis:
„Bricht ein Vulkan aus, den ein Gletscher bedeckt,
werden Unmengen von Eis abgeschmolzen.“ Diese verwüsten dann als sogenannte Gletscherläufe
mit bis zu 300.000 Kubikmetern pro Sekunde wie
beim Katla-Ausbruch im Jahr 1918 das periglaziale Vorland. Auch können gewaltige Lavaströme
oder Ascheniederschläge bewohnte Regionen bedrohen. „Unser Ziel ist es, ein Frühwarnsystem an
subglazialen Vulkanen auf Island unter Einbindung
der satellitengestützten Fernerkundung aufzubau-
en“, erklärt Ulrich Münzer. „Mit Hilfe der Radarsatellitentechnik können wir auch bei schlechter
Witterung kleinste Veränderungen der Eisoberflächen und der Morphologie feststellen.“
Im Rahmen des Forschungsprojektes „Monitoring
of glaciovolcanic interactions in Iceland utilizing
TerraSAR-X“, dessen Leiter Ulrich Münzer ist,
wird das Gebiet um den Gletscher EyjafjallajökullMýrdalsjökull vom hochauflösenden deutschen
Radarsatelliten TerraSAR-X aufgenommen. Seit
dem Ausbruch am Eyjafjallajökull am 14. April geschieht dies nahezu täglich, um die Veränderungen
der Ausbruchstelle im bis zu 200 Meter dicken Eis
zu beobachten. So konnten erstmals nur einen Tag
nach dem Ausbruch auf einer Radaraufnahme die
exakte Lage und Größe der Eruption sowie eine
erste Prognose abgegeben werden. „Die enormen
Ascheauswürfe und schlechten Witterungsverhältnisse machten jegliche Begehung oder Befliegung
während der ersten beiden Eruptionstage nahezu
unmöglich“, so Münzer. „Umso wichtiger waren
diese ersten Radaraufnahmen des TerraSAR-X mit
einer Bodenauflösung von bis zu drei Metern.“ Somit konnte den isländischen Behörden und dem Katastrophenschutz eine wichtige Entscheidungshilfe
aus der LMU übermittelt werden. Darüber hinaus
kooperiert die Geologische Fernerkundung der
LMU unter anderem mit dem Deutschen Zentrum
für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen
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und den Glaziologen der Bayerischen Akademie der
Wissenschaften. Der Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull war für Münzer keine Überraschung. „Wir
hatten schon darauf gewartet“, sagt der Geologe.
Denn mit der neuen Satellitengeneration des TerraSAR-X kann durch die schnelle Datenaufnahme
und -lieferung ein „Near-Real-Time-Monitoring“
bei Naturereignissen durchgeführt werden. Dabei
werden die Satellitendaten zusammen mit vielen
anderen geowissenschaftlichen Daten in einem
geografischen Informationssystem (GIS) ausgewertet. Im Rahmen des aktuellen Forschungsvorhabens
konzentriert sich das Team um Ulrich Münzer auf
den circa 25 Kilometer entfernten Vulkan Katla, der
unter einer bis zu 800 Meter dicken Eisschicht des
Mýrdalsjökulls liegt – und dessen erneute Eruption
„eigentlich überfällig“ ist. Der Gletscher über dem
Vulkan wird nun per Radarsatellit kontinuierlich
aufgenommen und überwacht.
Modellhafte Katastrophen
An einem anderen Ort des Departments für Geound Umweltwissenschaften, im Keller der Theresienstraße 41, gehören Naturkatastrophen zum Alltag. Vier Vulkanmodelle brechen abwechselnd aus
– und liefern dem Team um Professor Donald Bruce Dingwell aufschlussreiche Informationen über
das Wesen der Vulkane. „Wir analysieren experimentell die ,Todesursachen’ von Magma“, erklärt
Dingwell, der international als führender Spezialist
auf dem Gebiet der experimentellen Vulkanologie
gilt. Seine Modelle haben optisch nichts mit den
Originalen gemein: In einem kleinen Ofen verbirgt
sich ein Stahlrohr mit Gaszufuhr, obenauf sitzt eine
drei Meter hohe Metalltonne. Doch das Prinzip ist
dasselbe: Gestein wird auf 900 Grad Celsius erhitzt
und unter Druck gesetzt – und dann als flüssiges
Material schlagartig freigelassen.
Die vielleicht wichtigste Komponente seiner Forschung sei die Seismizität des Magmas, also die
Erdbebenhäufigkeit und -stärke der Gesteins-
schmelze, erläutert Dingwell. „Durch die im Labor erstellte Statistik der Erdbeben versuchen
wir, eine Vulkanseismizität zu modellieren, die als
Frühwarnsignal dienen kann. Zudem zerquetschen
wir – wiederum experimentell – Magma.“ Durch
verschiedene Monitoringsysteme simulieren die
Vulkanologen dabei im Labor die Bruchprozesse,
die sich bei vulkanischen Ausbrüchen abspielen.
Noch ist jedoch nicht jede Frage gelöst, das Modell
nicht auf den Vulkanberg übertragbar.
Meist entstehen bei den artifiziellen Vulkanausbrüchen Brocken – manchmal aber auch solche Asche,
wie sie nach dem Ausbruch auf Island wochenlang
den internationalen Flugverkehr lahmlegte. Wie
Dingwell den Eyjafjallajökull in einem vulkanologischen Steckbrief einordnen würde? „Klein, nicht
höchst explosiv, subglazial, basaltisch-trachytisch
– und durch diese Eigenschaften vulkanologisch an
sich weniger interessant.“ Logistisch war Dingwell
vom Ausbruch des Eyjafjallajökull allerdings stark
betroffen. „Zu jener Zeit wollte ich eigentlich nach
Mexiko fliegen – zum Vulkan Popocatepetl.“
„Die Wolken verstehen“
Die Aschebelastung der Luft, die zeitweise den
Flugverkehr lahmlegte, erforscht der Atmosphärenphysiker Professor Bernhard Mayer zusammen
mit seinen Kollegen vom Meteorologischen Institut der LMU. „Für uns sind die optischen Eigenschaften von Belang“, erklärt der Wissenschaftler,
„denn wir interessieren uns generell für die Klimawirkung von Aerosol, also allen Arten von Partikeln in der Atmosphäre.“ Eine große Rolle in der
Forschung spielt dabei der Einfluss auf die Wolken, deren Gesetzmäßigkeiten Mayer und seine
Kollegen auch in aschefreien Zeiten untersuchen.
„Denn die Wolken sind nach wie vor der größte
Unsicherheitsfaktor bei der Prognose des zukünftigen Klimas.“
Gemessen wird das Aerosol mit dem „Lidar“System („Light Detection and Ranging“) – einer
1 Vulkanmodelle liefern dem
Team um Professor Donald Bruce
Dingwell aufschlussreiche Informationen über das Wesen der
Vulkane.
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5 Ausschnitt einer Bildszene einen
Tag nach dem Vulkanausbruch,
aufgenommen vom Radarsatelliten
1 Ascheauswurf aus der eisbe-
TerraSAR-X.
deckten Caldera des Eyjafjallajö-
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kull-Vulkans (19.04.2010).
Der gleichnamige 80 Quadratkilometer große Gletscher ist bis
zu 200 Meter mit Eis bedeckt.
Der Ausbruch führte auch zu gewaltigen Schmelzwasserfluten.
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1 Professor Donald Bruce Dingwell, Professor Bernhard Mayer
und Dr. Ulrich Münzer (von oben
nach unten).
Kombination aus Laser und Teleskop. Der Laser
sendet einen Lichtpuls in die Atmosphäre, wo die
Strahlung an jedem einzelnen Partikel wie ein Echo
reflektiert wird. Das Teleskop sammelt und zählt
diese Lichtechos. Die mit dem Teleskop eingefangenen Daten werden im Computer zu Rohsignalen, die dann von Hand ausgewertet werden.
„Das Messen und Aufzeichnen geht recht flott“,
erklärt Bernhard Mayer. „Daraus aber quantitative Informationen zu ziehen – insbesondere die
Aschekonzentration pro Kubikmeter, die die Ministerien oder Airlines benötigen –, das erfordert viel
Hirnschmalz und dauert länger.“ Misst man mittels
Lidarsystem die Laufzeit des Echosignals, erfährt
man zudem nicht nur, wie viele Partikel vorhanden
sind, sondern auch in welcher Höhe. Mit weiteren
Messungen kann man auch entscheiden, um was es
sich handelt: Sulfat-Tröpfchen, Wüstensand – oder
eben Vulkanasche. Drei Messsysteme stehen den
LMU-Meteorologen zur Verfügung: ein einfaches,
robustes auf dem Dach direkt über dem Lehrstuhl
an der Theresienstraße 37, das ständig in Betrieb
ist. Außerdem zwei Systeme in der Außenstelle
in Maisach, westlich von München. Diese beiden
Forschungssysteme sind hochkomplex, erfordern
ständige Betreuung und Nachjustierung.
Die grundlegendste Veränderung einer aschebelasteten Wolke: Sie ist heller. „Das klingt widersprüchlich, man sollte ja annehmen, dass sie mit
mehr Asche eher dunkler ist.“ Tatsächlich führen
zusätzliche Partikel in der Luft zur Bildung von
mehr, aber dafür kleineren Wolkentröpfchen.
Diese reflektieren mehr Sonnenstrahlung als wenige große Tröpfchen, wodurch die Wolke heller
erscheint. Aus Sicht des Wissenschaftlers bietet
die Aschebelastung sehr interessante Phänomene,
„die uns helfen, die Wolken besser zu verstehen.“
So konnten die Meteorologen beobachten, dass
sich Eisteilchen bei Temperaturen bildeten, die eigentlich nicht niedrig genug waren. „Daraus lernt
man, dass Vulkanasche ein guter Eiskondensationskern ist, sich also sehr gut Eiskristalle daran
bilden können.“
Während der Zeit der stärksten Aschebelastung
überwachten Mayers Kollegen Dr. Volker Freudenthaler und Silke Groß zehn Tage lang kontinuierlich in Maisach die Systeme im Schichtbetrieb
und stellten die Messergebnisse direkt ins Internet.
Er selbst fand in den ersten drei Wochen nach dem
Vulkanausbruch in seinem E-Mail-Fach mehr als
500 E-Mails zu diesem Thema von Wissenschaftlern aus ganz Europa. Bei der Beobachtung der
Aschewolke arbeitete sein Lehrstuhl zudem eng
mit internationalen Kollegen und Einrichtungen
zusammen – zum Beispiel mit dem Europäischen
Lidarmessnetz EARLINET und besonders mit
dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
e.V. (DLR), das das Forschungsflugzeug „Falcon“
besitzt. Die gemeinsamen Ergebnisse wurden in
einer Expertenrunde bei Bundesverkehrsminister
Peter Ramsauer vorgestellt.
Mayer und seine Kollegen hoffen nun auf stärkere
finanzielle Förderung, um das Lidarsystem in Maisach automatisch betreiben zu können. „Die Kosten wären ein Bruchteil von denen, die bei einer
mehrtägigen Flughafensperrung entstehen.“■ ajb