Geologie Die Urgewalt der Supervulkane
Tief unter Kalifornien und Wyoming liegen zwei Vulkane in einer Art Winterschlaf, aus dem sie jederzeit mit unvorstellbarer Gewalt erwachen können. Dann würde die Westhälfte der USA binnen weniger Stunden unter einer mehrere Zentimeter dicken Ascheschicht versinken. In den letzten zwei Millionen Jahren ist dies schon mindestens viermal geschehen.
Die Eruption eines Supervulkans entfaltet die gleiche Zerstörungskraft wie der Einschlag eines kleinen Asteroiden, kommt aber zehnmal so häufig vor. Damit gehört sie zu den schlimmsten Naturkatastrophen, die der Menschheit drohen.
In den 1950er Jahren fielen Geologen riesige, annähernd kreisförmige Senken auf manche dreißig bis sechzig Kilometer breit und einige tausend Meter tief. Sie erinnerten stark an die kesselförmigen Calderen vieler bekannter Vulkane: Einsturzkrater, die entstehen, wenn sich die Magmakammer unter einem Vulkanschlot bei einem Ausbruch leert und die darüber liegenden Gesteinsschichten einbrechen. Die riesigen Talkessel lagen zudem inmitten einiger der gewaltigsten Ablagerungen von Vulkangesteinen. All dies machte den Forschern klar, dass sie die Überreste von Vulkanen vor sich hatten, die hundert- oder gar tausendmal größer waren als der berüchtigte Mount St. Helens im US-Staat Washington.
Derzeit kennt man vier Regionen, wo in den letzten zwei Millionen Jahren bei einer Eruption mindestens 750 Kubikkilometer Gesteinsmaterial ausgeworfen wurden: Yellowstone (Wyoming, USA), Long Valley (Kalifornien, USA), Toba (Sumatra, Indonesien) und Taupo (Neuseeland). Unter der Oberfläche des Yellowstone-Nationalparks wandert die nordamerikanische Platte über einen pilzartigen Aufstrom besonders heißen, zähplastischen Gesteins.
Auftriebskräfte lassen diesen so genannten Plume (englisch für Helmbusch) vom Rand des flüssigen äußeren Erdkerns durch den 2900 Kilometer dicken Erdmantel empordringen. An der Erdoberfläche erzeugt er schließlich einen Hot Spot (heißen Fleck), indem er wie ein überdimensionaler Bunsenbrenner die nur hauchdünne Erdkruste von unten her aufschmilzt. Das dabei entstandene Magma hat in den letzten 16 Millionen Jahren mehrere katastrophale Vulkanausbrüche gespeist.
Anders liegen die Verhältnisse in der Region Toba. Hier befindet sich eine Subduktionszone, an der eine tektonische Platte unter eine andere abtaucht. Das Mantelgestein über dem absinkenden Krustenblock schmilzt dabei im weiten Umkreis teilweise auf. Auch dadurch können riesige Magmamengen entstehen.
Wie kommt es nun zum Ausbruch? Weil sich immer mehr Gesteinsschmelze in der Magmakammer aufstaut, steigt dort mit der Zeit der Druck. Zwar kann ihm die darüber liegende Kruste mit ihrem enormen Gewicht zunächst noch standhalten. Doch wird sie langsam angehoben und wölbt sich auf. Dabei bildet sich um die Wölbung herum ein Ring aus vertikalen Spannungsrissen, die schließlich von der Erdoberfläche bis zur Magmakammer reichen.
Damit nimmt das Verhängnis seinen Lauf. Die Gesteinsschmelze bahnt sich ihren Weg durch die Risse nach oben. Diese erweitern sich zu Austrittsschloten und vereinigen sich schließlich zu einem durchgehenden ringförmigen Spalt. Sobald das geschieht, hat der gewaltige "Deckel" festen Gesteins innerhalb des Rings keinen Halt mehr. Wie das Dach eines Hauses, dessen Wände zusammenbrechen, sinkt er als ganzes oder in Einzelteilen in die sich leerende Magmakammer hinab und presst dabei weitere Lava und Gase an den Rändern des Rings heraus.
Zu den bestuntersuchten Überresten eines solchen Ausbruchs gehört der Bishop-Tuff, der die so genannten Volcanic Tablelands im Osten Kaliforniens bildet. Diese Dutzende bis Hunderte von Metern mächtige vulkanische Ablagerung bildete sich aus den geschätzten 750 Kubikkilometern Magma, die bei der Entstehung der Caldera des Long-Valley-Supervulkans vor etwa 760|000 Jahren austraten.
Bis in die 1970er Jahre hinein hielten viele Geologen den mächtigen Bishop-Tuff für das Ergebnis einer Reihe von Eruptionen über Jahrmillionen hinweg. Dass ein einzelner Ausbruch eine derart mächtige Ablagerung schaffen könnte, schien undenkbar. Doch akribische Untersuchungen an winzigen Einschlüssen aus glasartig erstarrtem Magma in kleinen Quarzkristallen bewiesen das Gegenteil.
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Wie schnell eine Gesteinsschmelze austritt, hängt vor allem von ihrer Fließfähigkeit und vom Druck ab, der in der Magmakammer herrscht. Dieser lässt sich an der Größe mikroskopisch feiner Gasbläschen in den Einschlüssen ablesen. Entsprechende Messungen haben Alfred T. Anderson von der Universität Chicago und seine Kollegen schon vor rund 25 Jahren vorgenommen. Aufgrund dieser sowie anderer Laboruntersuchungen und Freilandbeobachtungen aus den 1990er Jahren sind die Geologen inzwischen zu der Überzeugung gelangt, dass der Bishop-Tuff und wahrscheinlich die meisten analogen Ablagerungen bei einem einzigen Ausbruch innerhalb von nur zehn bis hundert Stunden ausgestoßen wurde.
Dieser Sinneswandel erforderte auch Retuschen am Bild einer Supervulkan-Eruption. Sie hat wenig Ähnlichkeit mit dem, was etwa am Kilauea auf Hawaii zu beobachten ist wo Lava in Fontänen emporschießt, die höchstens einige hundert Meter hoch sind, und dann in rotglühenden Strömen die Bergflanken herabrinnt. Bei einem Ereignis vom Kaliber der Ausbrüche im Long Valley oder in Yellowstone werden stattdessen in einem weiten Ring rund um die Magmakammer explosionsartig schaumartige Gemische aus Gas, Lava und Asche mit Überschallgeschwindigkeit ausgeschleudert und im Sog der von ihnen erhitzten und dadurch wie in einem Kamin aufsteigenden Luft rund fünfzig Kilometer hoch bis in die Stratosphäre katapultiert. Sobald die Decke der Magmakammer einstürzt, verstärkt sich dieses Inferno noch.
Das aus der Stratosphäre zurückfallende Material bildet rötlich graue Glutwolken so genannte pyroklastische Ströme , die rings um die Caldera horizontal Dutzende von Kilometern weit über den Boden schießen. Sie bestehen aus Lava und Ascheteilchen, aufgewirbelt und in der Schwebe gehalten durch glutheiße Gase. Dadurch bewegen sie sich extrem schnell mit Geschwindigkeiten bis zu 400 Kilometer pro Stunde, wie einige Quellen behaupten. Autos und Kleinflugzeuge hätten auf der Flucht vor ihnen also keine Chance. Da diese Ströme 600 bis 700 Grad Celsius heiß sind, brennen sie alles auf ihrem Weg nieder, bevor sie es unter sich begraben.
Aber auch Gebiete jenseits ihrer Reichweite bleiben nicht verschont. Noch einige hundert Kilometer von der Ausbruchsstelle entfernt schneit es tage- bis wochenlang gräuliche Ascheflocken. In einem Umkreis von 200 Kilometern um die Caldera dringt kaum noch Sonnenlicht zur Erdoberfläche: Der Himmel ist selbst um die Mittagszeit so dunkel wie sonst während der Dämmerung. Häuser, Menschen und Tiere werden verschüttet und teilweise zerdrückt.
Selbst in 300 Kilometer Entfernung könnte noch ein halber Meter Asche fallen. Mit Regenwasser getränkt, hätte sie ein Gewicht, das Dächer zum Einsturz brächte. Schon eine geringere Aschemenge würde die Stromversorgung unterbrechen und die Telekommunikation lahmlegen. Selbst ein Millimeter eine Menge, die gut und gerne auf die Hälfte des Erdballs herabrieseln könnte hätte die Schließung von Flughäfen und einen dramatischen Rückgang der landwirtschaftlichen Produktion zur Folge.
Fatal dürften sich auch die riesigen Mengen an vulkanischen Gasen auswirken, die in die oberen Atmosphäreschichten geblasen werden und dort jahrelang verbleiben. Davon ist Schwefeldioxid (SO2) das übelste. Es verbindet sich mit einem Sauerstoffatom zu Schwefeltrioxid (SO3), das begierig Feuchtigkeit anzieht und dabei winzige Tröpfchen von Schwefelsäure (H2SO4) bildet. Sie schweben in der Luft und verteilen sich rasch über die gesamte Atmosphäre. Dort streuen sie das Sonnenlicht zurück in den Weltraum und tragen so die Hauptschuld an einer dramatischen weltweiten Abkühlung, die auf eine Supereruption folgt. Beim Ausbruch von Toba vor 74|000 Jahren sank dadurch die Durchschnittstemperatur auf der Erde um fünf bis fünfzehn Grad Grad Celsius.
Außerdem kann für relativ lange Zeit ein riesiges Ozonloch entstehen. Das Sauerstoffatom für die Umwandlung von SO2 in SO3 muss von irgendeiner Verbindung stammen, die bereits in der Atmosphäre vorhanden ist. Als ich mich 2003 dem Team von John M. Eiler am California Institute of Technology in Pasadena anschloss, suchten wir gemeinsam in meinen Ascheproben aus den prähistorischen Eruptionen von Yellowstone und Long Valley nach der Lösung des Rätsels.
Von Anfang an richtete sich unser Verdacht auf Ozon, weil es gegenüber normalem Luftsauerstoff ein überzähliges, drittes Sauerstoffatom enthält, das es geradezu begierig abgibt. Dieses Gas weist eine ungewöhnliche Isotopenanomalie auf: Auf Grund quantenmechanischer Effekte bei seiner Bildung in Gegenwart von Sonnenstrahlung ist darin Sauerstoff-17 besonders stark angereichert.
Ozon findet sich in besonders hoher Konzentration in der Stratosphäre, wo es die Erdoberfläche vor der gefährlichen ultravioletten Sonnenstrahlung abschirmt. Wenn es nun mit SO2 reagiert, überträgt es seine spezielle Sauerstoffisotopen-Signatur auf das dabei gebildete SO3 und die daraus entstehende Schwefelsäure sowie schließlich die Sulfatverbindungen, die sich bilden, wenn die ausgewaschene Schwefelsäure am Erdboden mit dort abgelagerter Asche reagiert.
Tatsächlich fanden Eiler und ich im Sulfat aus Ascheproben von den Supervulkanausbrüchen in Yellowstone und im Long Valley einen Überschuss an Sauerstoff-17. Dies legte die Vermutung nahe, dass damals reichlich Ozon aus der Stratosphäre verschwand, weil es mit Gasen reagierte, die bei diesen gigantischen Eruptionen ausgestoßen wurden. Andere Forscher fanden in sauren Schichten im Eis der Antarktis ähnliche Anomalien. Demnach dürfte auch beim Toba-Ausbruch die stratosphärische Ozonschicht erheblich gelitten haben.
Ausmaß und Dauer des vermuteten Ozonschwunds sind noch umstritten. Satellitenmessungen zufolge ist die Ozonschicht nach dem Ausbruch des Vulkans Pinatubo auf den Philippinen im Juni 1991 um drei bis acht Prozent geschrumpft. Doch was würde nach einer hundertmal stärkeren Eruption passieren? Mit simpler Arithmetik ist die Antwort leider nicht zu finden, weil die Details der Ozonchemie in der Atmosphäre extrem komplex und noch nicht vollständig geklärt sind.
Verfahren zur Untersuchung und Überwachung von Vulkanen jeder Größenordnung gibt es bereits, und ihre Entwicklung macht rasche Fortschritte. Doch wie viel wir auch hinzulernen, eine Eruption können wir nicht verhindern. Eines ist immerhin beruhigend: Inzwischen wissen wir genug über die möglichen Ausbruchsregionen und die Eruptionsmechanismen, um mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit sagen zu können, dass es in naher Zukunft zu keiner Supervulkankatastrophe kommen wird.
Ilya N. Bindeman ist Assistenzprofessor im Fachbereich Geologie der University of Oregon in Eugene. In Moskau geboren, untersuchte er zunächst Vulkane auf der sibirischen Halbinsel Kamtschatka. In Eugene hat er inzwischen ein eigenes geochemisches Labor eingerichtet.