Vulkane: Ascheflug

Mehrere Tage schon grummelte es im Untergrund, dann brach das heiße Magma zur Oberfläche durch, die Eruption begann. Der Berg spuckte Lava und stieß eine mächtige Aschewolke in den Himmel. Der Wind blies die kleinen Partikel in Richtung Europa, wo sicherheitshalber der Luftraum großflächig gesperrt wurde. Es wurde befürchtet, die Asche könnte die Strahltriebwerke der Flugzeuge beschädigen und schlimmstenfalls zum Absturz der Maschinen führen.

Der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im Frühjahr 2010 hat deutlich gemacht: Vulkaneruptionen sind nicht nur eine Gefahr für Bewohner in unmittelbarer Nähe, sie können entwickelte Gesellschaften auch aus großer Entfernung empfindlich treffen. Mehr als 100 000 Flüge wurden damals gestrichen, der wirtschaftliche Schaden wird auf rund vier Milliarden Euro geschätzt.

Durchaus möglich, dass sich ein solches Szenario wiederholt, wenn demnächst wieder ein Vulkan ausbricht. Denn jetzt, zwei Jahre später, sind zwar die meisten Wissenslücken gefunden, die zu den weiträumigen und teils unnötigen Sperrungen führten. Die Methoden, mit denen diese Lücken verkleinert werden sollen, stehen aber erst am Anfang, wie Wissenschaftler auf dem „Euroscience Open Forum“ in Dublin berichteten.

„Bei sichtbaren Aschewolken ist der Fall klar“, sagte Andreas Petzold vom Forschungszentrum Jülich. „Da befinden sich so viele Partikel in der Luft, dass Flugzeuge nicht hineinfliegen dürfen.“ Aber wo ist die Untergrenze, ab welcher Konzentration von Asche sind Flüge akzeptabel? Das wusste damals keiner oder zumindest wollte keiner die Verantwortung für mögliche Fehleinschätzungen übernehmen, und so blieb der Himmel tagelang leer. Ausgehend von Tests mit sehr großen Mengen Wüstenstaub, die garantiert Schäden hervorrufen, und vielen Sicherheitszuschlägen haben sich die Experten nun auf ein eher willkürliches Limit von höchstens zwei Milligramm Asche pro Kubikmeter Luft geeinigt. „Dieser Wert ist nicht durch systematische Studien an Flugzeugtriebwerken gedeckt“, sagte Petzold. Erste Versuche gebe es aber schon, bei denen etwa Vulkanasche auf einzelnen Triebwerksschaufeln geschmolzen und zum Erstarren gebracht wird, so, wie es auch in realen Triebwerken geschieht, wo in der Brennkammer bis zu 1500 Grad Celsius erreicht werden. „Dann wird mit Elektronenmikroskopen geschaut, ob die Schmelze in das Material der Schaufeln eindringt oder sich nur wie eine Glasur darüber legt und welche Folgen das zum Beispiel für die Festigkeit der Schaufeln hat.“ Es werde noch Jahre dauern, bis es konkrete und vor allem verlässliche Ergebnisse zu den Wirkungen geringer Aschemengen gibt, sagte Petzold. Womöglich kann dann jedoch der Grenzwert noch einmal verändert werden.

Ein zweiter Schwachpunkt war die Simulation, die angibt, in welche Richtung und in welcher Menge die Asche transportiert wird. Wie nahe diese Simulation der Wirklichkeit kommt, hängt entscheidend davon ab, zu wissen, wie viel Asche der Vulkan gerade ausspuckt. „Da gibt es große Unsicherheiten“, sagte Freysteinn Sigmundsson vom Institut für Erdwissenschaften in Reykjavík und zeigte Bildsequenzen vom Ausbruch des Eyjafjallajökull. Mit unvorstellbarer Gewalt und ziemlich chaotisch schießt das Material aus dem Schlot. Messungen sind allenfalls von ferne möglich und aufgrund des wirren Auswurfverhaltens unpräzise.

Sigmundsson hofft dennoch, die „Förderleistung“ eines Vulkans künftig genauer angeben zu können. „Dazu müssen wir besser verstehen, was in dem Berg passiert“, sagte der Geophysiker. Wie schnell wird die Magmakammer aus der Tiefe beliefert, welche chemischen und physikalischen Eigenschaften hat die Gesteinsschmelze? Welcher Druck und welche Temperatur herrschen im Inneren? Das sind die wichtigsten Fragen der Vulkanologen, denen sie seit Jahrzehnten nachgehen.

Allerdings arbeiten die Teams an den verschiedensten Feuerbergen. Es ist an der Zeit, die vorhandenen Techniken, von der Gasanalyse am Schlot über die Interpretation seismischer Wellen bis zu Radarvermessungen des aufgeblähten Berges aus dem All, an einem Objekt zusammenzuführen, findet Sigmundsson. Seine Heimat bietet sich dafür an: Mehrere Vulkane sind „reif“, der nächste Ausbruch dürfte in den nächsten Jahren kommen. „Wenn wir an einem Vulkan entscheidend dazulernen, wie diese Berge überhaupt funktionieren, können wir das Wissen auf andere Regionen anwenden“, warb er für das Vorhaben zahlreicher Geowissenschaftler aus ganz Europa. Am liebsten würden sie sofort anfangen, aber noch ist die Finanzierung des sechs Millionen Euro teuren Projekts nicht gesichert. „Wir verhandeln noch mit der EU“, sagte Sigmundsson. „Vielleicht können wir im Herbst anfangen.“

Sollte es demnächst wieder eine Aschewolke in Island oder anderswo geben, brauchen die Atmosphärenforscher für ihre Simulation aber nicht nur die Förderrate des Vulkans, sondern zudem Messungen aus seinem Umfeld, um zu prüfen, ob ihr Modell stimmt. Bisher werden dafür feststehende Laserinstrumente, Lidar genannt, und Forschungsflugzeuge genutzt. Künftig könnten auch Linienmaschinen mit solchen Aschesensoren ausgestattet sein, sagte Andreas Petzold. „Das würde einerseits das Messnetz viel dichter machen, zum anderen können die Piloten direkt gewarnt werden, wenn Gefahr besteht.“

Ein Vorläufer solcher Sensoren ist ein Messgerät, das der Jülicher Atmosphärenforscher mit Kollegen entwickelt hat, um Eiskristalle in hohen Luftschichten zu untersuchen. „Es ist ein Kasten, kleiner als ein Schuhkarton, der im Inneren eines Flugzeugs montiert wird“, sagte er. „Es ist nur ein kleines Fenster in der Außenhülle nötig, durch das ein Laserstrahl geschickt wird.“ Ist die Luft frei von Partikeln, verschwindet der Strahl im Nirgendwo. Trifft der Laser jedoch auf ein kleines Teilchen, wird sein Licht gestreut und gelangt wieder zum Messgerät.

„Indem wir analysieren, welche Intensität die zurückgestreute Strahlung hat oder wie sich die Polarisationsrichtung des Lichts ändert, können wir die Gestalt und die chemische Zusammensetzung der Teilchen und auch ihre Menge ermitteln“, beschrieb Petzold die Technik. Die erste Box fliegt seit einem Jahr auf einer Lufthansa-Maschine, künftig sollen 20 Flugzeuge damit ausgestattet sein. „Sie ist zwar für Eiskristalle konzipiert, doch wir diskutieren gerade mit Airbus, ob die Geräte nicht zusätzlich auch für Staub- und Aschemessungen eingerichtet werden können.“ Zumindest einige Schritte auf dem Weg zu einem Aschesensor in Verkehrsmaschinen wären so geschafft.