Anmerkung der Redaktion: In dieser wöchentlichen Reihe untersucht LiveScience, wie Technologie die wissenschaftliche Erforschung und Entdeckung vorantreibt.
Die Überwachung von Vulkanen ist ein harter Gig. Man muss wissen, was los ist - aber zu nahe zu kommen ist eine tödliche Angelegenheit.
Glücklicherweise hat es die Technologie einfacher denn je gemacht, magma- und aschespuckende Berge rund um den Globus im Auge zu behalten. Ein Großteil dieser Technologie ermöglicht es Forschern, sich zurückzuhalten (sogar Vulkane aus dem Weltraum zu beobachten) und gleichzeitig die vulkanische Aktivität im Auge zu behalten. Einige dieser Technologien können sogar wolkenbedeckte Vulkangipfel durchdringen, sodass Forscher Bodenveränderungen "sehen" können, die auf einen bevorstehenden Ausbruch oder einen gefährlichen Zusammenbruch der Lavakuppel hinweisen könnten.
"Sie möchten über mehrere Informationsquellen verfügen, um besser verstehen zu können, was vor sich geht", sagte Geoff Wadge, Direktor des Environmental Systems Science Center an der University of Reading in Großbritannien.
Ein gashaltiger Job
Bei der Überwachung von Vulkanen ging es früher darum, Stiefel auf den Boden zu bringen. Die persönliche Feldarbeit findet natürlich noch heute statt, aber jetzt verfügen Wissenschaftler über weitaus mehr Tools, um Änderungen rund um die Uhr zu verfolgen.
Zum Beispiel mussten Forscher einmal zu vulkanischen Gasentlüftungsöffnungen marschieren, eine Flasche herausziehen, um das Gas einzufangen, und dann die versiegelte Flasche zur Analyse an ein Labor schicken. Diese Technik war zeitaufwändig und gefährlich, da eine große Anzahl vulkanischer Gase tödlich ist. Jetzt wenden sich Wissenschaftler viel häufiger der Technologie für diese schmutzigen Jobs zu. Ultraviolett-Spektrometer messen beispielsweise die Menge an ultraviolettem Licht aus Sonnenlicht, das von einer Vulkanfahne absorbiert wird. Mit dieser Messung können Forscher die Menge an Schwefeldioxid in der Wolke bestimmen.
Ein weiteres Werkzeug, das seit 2004 am Hawaiian Volcano Observatory eingesetzt wird, ist das Fourier-Transformationsspektrometer, das ähnlich funktioniert, jedoch Infrarotlicht anstelle von Ultraviolett verwendet. Und einer der neuesten Tricks des Observatoriums kombiniert Ultraviolett-Spektrometrie mit digitaler Fotografie. Dabei werden Kameras verwendet, die mehrere Gasmessungen pro Minute im Feld erfassen können. All diese Gasinformationen helfen Forschern herauszufinden, wie viel Magma sich unter dem Vulkan befindet und was dieses Magma tut.
Bewegung messen
Andere High-Tech-Techniken verfolgen die durch Vulkane ausgelöste Bodenbewegung. Die Verformung des Bodens um einen Vulkan kann ebenso wie Erdbeben einen bevorstehenden Ausbruch signalisieren. Das Hawaiian Volcano Observatory verfügt über mehr als 60 GPS-Sensoren (Global Positioning System), die Bewegungen an den aktiven Vulkanstandorten des Bundesstaates verfolgen. Diese GPS-Sensoren unterscheiden sich nicht wesentlich von denen im Navigationssystem Ihres Autos oder in Ihrem Telefon, sind jedoch empfindlicher.
Tiltometer, die genau so klingen, messen, wie sich der Boden in einem vulkanischen Gebiet neigt, ein weiteres verräterisches Zeichen dafür, dass sich unter der Erde etwas bewegt.
Ein Auge in den Himmel zu haben, ist auch praktisch, um vulkanische Veränderungen zu verfolgen. Satellitenbilder können selbst kleinste Höhenänderungen am Boden erkennen. Eine beliebte Technik, die als interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur (InSAR) bezeichnet wird, umfasst zwei oder mehr Satellitenbilder, die zu unterschiedlichen Zeiten von derselben Stelle im Orbit aufgenommen wurden. Änderungen, wie schnell das Radarsignal des Satelliten in den Weltraum zurückprallt, lassen subtile Verformungen der Erdoberfläche erkennen. Mit diesen Daten können Wissenschaftler Karten erstellen, die Bodenveränderungen bis auf den Zentimeter genau anzeigen.
Satelliten passieren nur gelegentlich Vulkane, beschränken jedoch die Sicht auf höchstens alle 10 Tage, sagte Wadge gegenüber LiveScience. Zum Ausgleich setzen die Forscher jetzt Bodenradar ein, ähnlich dem Radar, mit dem das Wetter verfolgt wird, um die vulkanische Aktivität im Auge zu behalten. Wadge und seine Kollegen haben ein Werkzeug entwickelt, den Allwetter-Vulkantopografiesensorsensor (ATVIS), der Wellen mit Frequenzen von nur Millimetern verwendet, um in die Wolken einzudringen, die häufig vulkanische Spitzen aus dem Blickfeld hüllen. Mit ATVIS können die Wissenschaftler die Bildung von Lavakuppeln oder allmählich wachsenden Schwellungen auf Vulkanen "beobachten".
"Lavakuppeln sind sehr gefährlich, weil sie diese hochviskose Lava in einem großen Haufen ausschütten und schließlich zusammenbrechen. Dabei entsteht ein pyroklastischer Fluss", sagte Wadge.
Pyroklastischer Fluss ist ein tödlicher, sich schnell bewegender Fluss aus heißem Gestein und Gas, der Tausende in Minuten töten kann.
Wadge und seine Kollegen testen ATVIS auf der vulkanisch aktiven westindischen Insel Montserrat. Seit 1995 bricht regelmäßig der Vulkan Soufriere Hills auf der Insel aus.
Radarmessungen können auch Strömungen geschmolzener Lava aus dem Weltraum verfolgen, sagte Wadge. Obwohl Satellitenpässe nur alle paar Tage auftreten können, können Radarinstrumente Orte bis zu einigen Fuß (1 bis 2 Meter) lokalisieren. Das Zusammenstellen von Bildern, die aus dem Weltraum eines sich langsam bewegenden Lavastroms aufgenommen wurden, kann eine "filmartige" Sequenz des Fortschreitens des Flusses aufzeigen, sagte Wadge.
Spitzentechnologie
Zunehmend wenden sich Wissenschaftler unbemannten Drohnen zu, um sich einem Vulkan zu nähern und gleichzeitig den Menschen aus dem Weg zu räumen. Im März 2013 flog die NASA 10 ferngesteuerte unbemannte Drohnenmissionen in die Wolke des Vulkans Turrialba in Costa Rica. Die 5-Pfund-Drohnen (2,2 Kilogramm) trugen Videokameras, die sowohl im sichtbaren als auch im Infrarotlicht filmten, Schwefeldioxidsensoren, Partikelsensoren und Luftprobenflaschen. Das Ziel besteht darin, Daten aus der Wolke zu verwenden, um Computervorhersagen von Vulkangefahren wie "Vog" oder toxischem Vulkansmog zu verbessern.
Gelegentlich kann die Technologie sogar einen Ausbruch fangen, den sonst niemand bemerkt hätte. Im Mai sprengte Alaskas abgelegener Cleveland-Vulkan seine Spitze. Der Vulkan befindet sich auf den Aleuten und ist so weit entfernt, dass keine seismische Netzwerküberwachung auf Explosionen erfolgt. Eruptionen können jedoch den Flugverkehr stören. Daher ist es wichtig, dass die Forscher wissen, wann eine Explosion stattfindet. Um den geschäftigen Vulkan Cleveland zu überwachen, verwenden Wissenschaftler des Alaska Volcano Observatory Infraschall, um niederfrequente Rumpelgeräusche unterhalb des menschlichen Hörbereichs zu erkennen. Am 4. Mai konnten die Wissenschaftler mit dieser Technik drei Explosionen des unruhigen Vulkans nachweisen.
In einem anderen Fall der Fernerkundung von Vulkanen meldete ein Schiff der neuseeländischen Royal Navy im August 2012 eine schwimmende Bimssteininsel mit einer Länge von 482 km im Südpazifik. Der Ursprung des Bimssteins wäre wahrscheinlich ein Rätsel geblieben, aber der Vulkanologe Erik Klemetti von der Denison University und der NASA-Visualisierer Robert Simmon suchten nach der Quelle. Die beiden Wissenschaftler durchsuchten monatelange Satellitenfotos von Terra- und Aqua-Satelliten der NASA und fanden am 19. Juli 2012 den ersten Hinweis auf einen Ausbruch: aschgraues Wasser und eine Vulkanfahne an einem Unterwasservulkan namens Havre Seamount.
"Wenn Sie nicht gewusst hätten, wo Sie suchen sollen, hätten Sie es verpasst", sagte Klemetti zu LiveScience. Satellitenbilder und andere technologische Fortschritte haben es Vulkanologen ermöglicht, mehr Eruptionen als je zuvor zu entdecken, sagte er.
"Vor 25 Jahren gab es viele Orte, an denen wir keine Ahnung gehabt hätten, dass es zu einem Ausbruch gekommen ist", sagte Klemetti.
