Woher wissen wir, wo die Vulkanasche landen wird?

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Vulkanischer Plume in Verbindung mit dem Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull (

Vulkanischer Plume in Verbindung mit dem Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull (Island) im April-Mai 2010 und rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Ascheaggregats, das aus mikrometrischen vulkanischen Partikeln besteht, die während des Fallouts auf Klebepapier gesammelt wurden. © UNIGE, Costanza Bonadonna

Ein Team der Universität Genf hat die Asche von Vulkanausbrüchen untersucht und dabei zwei Effekte der Aschesedimentation entdeckt, die unsere Fähigkeit zur Vorhersage der von Vulkanaschewolken ausgehenden Gefahr verbessern werden. Als der Vulkan Eyjafjallajökull in Island im April 2010 ausbrach, wurde der Flugverkehr für sechs Tage unterbrochen und war dann bis Mai gestört. Bis dahin basierten die Modelle der neun Vulkanasche-Beratungszentren (Volcanic Ash Advisory Centres, VAACs) auf der ganzen Welt, die vorhersagen sollen, wann die Aschewolke Flugrouten beeinträchtigt, auf der Verfolgung von Wolken in der Atmosphäre. Nach diesem wirtschaftlichen Desaster für die Fluggesellschaften wurden in Europa Schwellenwerte für die Aschekonzentration eingeführt und von der Luftfahrtindustrie bei Entscheidungen über Flugbeschränkungen herangezogen. Ein Forscherteam unter der Leitung der Universität Genf (UNIGE) entdeckte jedoch, dass sich selbst die kleinste Vulkanasche nicht wie erwartet verhält. Ihre Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Nature Communications zu lesen sind, werden dazu beitragen, die Darstellung von Vulkanasche in Vorhersagemodellen zu verfeinern, die von VAACs verwendet werden, die in Echtzeit reagieren müssen, um während eines Vulkanausbruchs nützliche Ratschläge zu geben.

Der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im Jahr 2010 hat nicht nur den weltweiten Flugverkehr gestört, sondern auch das Funktionieren der von den VAACs verwendeten Vorhersagestrategien in Frage gestellt, die ausschließlich auf der räumlichen Überwachung der Aschewolke basieren. Ein Expertentreffen verfeinerte die Strategien auf der Grundlage von Schwellenwerten für die Aschekonzentration und ermöglichte eine schnellere Wiederaufnahme der Flüge, wobei die Sicherheit von Passagieren und Flugpersonal gewährleistet wurde.

"Während eines explosiven Vulkanausbruchs werden Fragmente von wenigen Mikrometern bis zu mehr als 2 Metern aus dem Vulkan geschleudert", erklärt Eduardo Rossi, Forscher am Departement für Geowissenschaften der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Genf und Erstautor der Studie. Je größer die Partikel sind, desto schneller fallen sie und desto näher sind sie am Vulkan, was die Konzentration der Asche in der Atmosphäre verringert." Deshalb wurden in die neuen Strategien Konzentrationsschwellen eingebaut, die die Gefahr für Flugzeugtriebwerke besser definieren. "Ab 2 Milligramm pro Kubikmeter müssen Fluggesellschaften einen anerkannten Sicherheitsnachweis haben, um zu operieren", erklärt der Genfer Forscher.

Partikelaggregate, die Vorhersagemodelle verzerren

Trotz des vorhandenen Wissens über Aschewolken blieben nach dem Ausbruch des Eyjafjallajökull im Jahr 2010 mehrere Fragen unbeantwortet, darunter die Entdeckung von viel größeren Partikeln als erwartet in Großbritannien. "Wir wollten verstehen, wie das möglich ist, indem wir Aschepartikel des Sakurajima-Vulkans in Japan, der seit mehr als 50 Jahren zwei- bis dreimal täglich ausbricht, genau analysierten", sagt Costanza Bonadonna, Professorin im Fachbereich Erde an der Universität Genf.

Mit Hilfe von Klebepapier, das die Asche auffängt, bevor sie auf den Boden trifft, hatte das Wissenschaftlerteam bereits während des Ausbruchs des Eyjafjallajökull beobachtet, wie sich mikrometrische Partikel zu Clustern zusammenballten, die nach dem Aufprall auf den Boden zerstört wurden. Das spielt eine wichtige Rolle für die Sedimentationsrate", sagt Rossi. Einmal zu Clustern zusammengesetzt, fallen diese mikrometrischen Partikel viel schneller und näher an den Vulkan heran, als die Modelle vorhersagen, weil sie letztlich schwerer sind, als wenn sie einzeln fallen würden. Dies wird als vorzeitige Sedimentation bezeichnet. "

Der Rafting-Effekt, von der Theorie für unmöglich erklärt

In Japan hat das Team der Universität Genf eine wichtige neue Entdeckung gemacht: die Beobachtung der Wirkung von Rafting. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachteten die Vulkanologen die Sedimentation der Asche in Echtzeit und entdeckten bisher unsichtbare Aggregate, so genannte Cored Clusters. "Diese bestehen aus einem großen Partikel von 100 bis 800 Mikrometern - dem Kern - der von vielen kleinen Partikeln von weniger als 60 Mikrometern umhüllt ist", erklärt Costanza Bonadonna. Und diese äußere Schicht aus kleinen Partikeln kann wie ein Fallschirm über dem Kern wirken und dessen Sedimentation verzögern. Das ist der Effekt des Raftings. "

Dieser Effekt der Flößerei wurde bereits 1993 theoretisch vorgeschlagen, aber letztlich für unmöglich erklärt. Heute ist seine Existenz durch direkte Beobachtung und präzise theoretische Analyse, die durch die Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht wird, eindeutig bewiesen. "In Zusammenarbeit mit Frances Beckett vom UK Met Office haben wir mehrere Simulationen durchgeführt, die es uns ermöglicht haben, die Fragen zu beantworten, die durch den Ausbruch des Eyjafjallajökull und die unerklärliche Entdeckung dieser übergroßen Aschepartikel in Großbritannien aufgeworfen wurden. Dies war das Ergebnis des Rafting-Effekts, der den Fall dieser Aggregate verzögerte", schwärmt Eduardo Rossi. Nachdem nun die Ascheaggregate, entkernte Cluster und der Effekt des Raftings untersucht wurden, ist es das Ziel, genauere physikalische Partikelparameter zu sammeln, damit sie eines Tages in die Betriebsmodelle der VAACs integriert werden können, wo Größe und Dichte eine entscheidende Rolle bei der Berechnung der Aschekonzentration in der Atmosphäre spielen.


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