Der massive Ausbruch des Vulkans Tonga liefert eine Explosion von Daten über atmosphärische Wellen

Der Hunga-Vulkan läutete das Jahr 2022 mit einem Knall ein, verwüstete den Inselstaat Tonga und versetzte Hilfsorganisationen und Geowissenschaftler in eine rege Aktivität. Fast 140 Jahre war es her, dass ein Ausbruch dieser Größenordnung die Erde erschütterte.

Robin Matoza von der UC Santa Barbara leitete ein Team von 76 Wissenschaftlern aus 17 Nationen, um die atmosphärischen Wellen des Ausbruchs zu charakterisieren, die stärksten, die seit dem Krakatau-Ausbruch von 1883 von einem Vulkan aufgezeichnet wurden. Die Arbeit des Teams, die in ungewöhnlich kurzer Zeit zusammengestellt wurde, beschreibt detailliert die Größe der Wellen, die von der Eruption ausgingen, die die Autoren fanden, dass sie mit denen von Krakatau vergleichbar waren. Die Daten bieten auch eine außergewöhnliche Auflösung des sich entwickelnden Wellenfelds im Vergleich zu dem, was aus dem historischen Ereignis verfügbar war.

Das Papier, veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaftist die erste umfassende Darstellung der atmosphärischen Wellen des Ausbruchs.

Frühe Beweise deuten darauf hin, dass ein Ausbruch am 14. Januar den Hauptschlot des Vulkans unter den Meeresspiegel versenkte und die massive Explosion am folgenden Tag auslöste. Die Eruption vom 15. Januar erzeugte eine Vielzahl unterschiedlicher atmosphärischer Wellen, darunter Explosionen, die 6.200 Meilen entfernt in Alaska zu hören waren. Es erzeugte auch einen Impuls, der das ungewöhnliche Auftreten einer tsunamiähnlichen Störung eine Stunde vor Beginn des eigentlichen seismisch verursachten Tsunamis verursachte.

„Dieses atmosphärische Wellenereignis war in der modernen geophysikalischen Aufzeichnung beispiellos“, sagte der Hauptautor Matoza, außerordentlicher Professor am Department of Earth Science der UC Santa Barbara.

Der Hunga-Vulkanausbruch hat beispiellose Einblicke in das Verhalten einer Vielzahl atmosphärischer Wellentypen geliefert. „Die atmosphärischen Wellen wurden weltweit über ein breites Frequenzband aufgezeichnet“, sagte Co-Autor David Fee vom Fairbanks Geophysical Institute der University of Alaska. „Und durch das Studium dieses bemerkenswerten Datensatzes werden wir die Erzeugung, Ausbreitung und Aufzeichnung akustischer und atmosphärischer Wellen besser verstehen.

„Dies hat Auswirkungen auf die Überwachung von Atomexplosionen, Vulkanen, Erdbeben und einer Vielzahl anderer Phänomene“, fuhr Fee fort. „Unsere Hoffnung ist, dass wir Vulkanausbrüche und Tsunamis besser überwachen können, indem wir die atmosphärischen Wellen dieses Ausbruchs verstehen.“

Die Forscher interessierten sich am meisten für das Verhalten einer atmosphärischen Welle, die als Lamb-Welle bekannt ist, die die dominante Druckwelle ist, die von der Eruption erzeugt wird. Dies sind longitudinale Druckwellen, ähnlich wie Schallwellen, aber von besonders niedriger Frequenz. Tatsächlich so niedrige Frequenz, dass die Auswirkungen der Schwerkraft berücksichtigt werden müssen. Lamb-Wellen werden mit den größten atmosphärischen Explosionen wie großen Eruptionen und nuklearen Detonationen in Verbindung gebracht, obwohl sich die Welleneigenschaften zwischen diesen beiden Quellen unterscheiden. Sie können von Minuten bis zu mehreren Stunden dauern.

Nach dem Ausbruch wanderten die Wellen entlang der Erdoberfläche und umkreisten den Planeten viermal in einer Richtung und dreimal in der entgegengesetzten Richtung, berichteten die Autoren. Dies war dasselbe, was Wissenschaftler beim Krakatau-Ausbruch von 1883 beobachteten. Die Lamb-Welle erreichte auch die Ionosphäre der Erde und stieg mit 700 Meilen pro Stunde auf eine Höhe von etwa 280 Meilen auf.

„Lammwellen sind selten. Wir haben nur sehr wenige qualitativ hochwertige Beobachtungen von ihnen“, sagte Fee. „Durch das Verständnis der Lamb-Welle können wir die Quelle und den Ausbruch besser verstehen. Sie ist mit der Entstehung des Tsunamis und der Vulkanfahne verbunden und hängt wahrscheinlich auch mit den höherfrequenten Infraschall- und Schallwellen des Ausbruchs zusammen.“

Die Lamb-Welle bestand aus mindestens zwei Pulsen in der Nähe des Vulkans. Der erste hatte einen 7- bis 10-minütigen Druckanstieg, gefolgt von einer zweiten und größeren Kompression und einem anschließenden langen Druckabfall.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Berichten über die Lammwellen von Hunga und denen von Krakatau besteht in der Menge und Qualität der Daten, die Wissenschaftler sammeln konnten. „Wir haben mehr als ein Jahrhundert an Fortschritten in der Instrumententechnologie und der globalen Sensordichte“, sagte Matoza. „Das Hunga-Ereignis 2022 lieferte also einen beispiellosen globalen Datensatz für ein Explosionsereignis dieser Größe.“

Wissenschaftler stellten andere Erkenntnisse über atmosphärische Wellen fest, die mit dem Ausbruch in Verbindung gebracht wurden, darunter bemerkenswerter Infraschall mit großer Reichweite – Geräusche, die in ihrer Frequenz zu niedrig sind, um von Menschen gehört zu werden. Infraschall kam nach der Lamb-Welle und wurde in einigen Regionen von hörbaren Geräuschen gefolgt.

Hörbare Geräusche erreichten Alaska, etwa 6.200 Meilen vom Vulkan entfernt, wo sie als wiederholte Booms im ganzen Staat zu hören waren. „Ich habe die Geräusche gehört“, erinnert sich Fee, „aber dachte damals definitiv nicht, dass es von einem Vulkanausbruch im Südpazifik stammt.“

Die Wissenschaftler glauben, dass die in Alaska gehörten Geräusche nicht aus Hunga stammen können. Es gibt zwar noch viel zu lernen, aber es ist klar, dass Standardschallmodelle nicht erklären können, wie sich hörbare Geräusche über solch extreme Entfernungen ausbreiten. „Wir haben interpretiert, dass sie irgendwo entlang des Pfades durch nichtlineare Effekte erzeugt wurden“, erklärte Matoza.

„Es gibt eine lange Liste möglicher Folgestudien, die die vielen verschiedenen Aspekte dieser Signale detaillierter untersuchen“, sagte er. „Als Community werden wir jahrelang an dieser Veranstaltung weiterarbeiten.“