Das Königreich Tonga explodierte am 15. Januar letzten Jahres mit einem der spektakulärsten und heftigsten Vulkanausbrüche, die je gesehen wurden, in die globalen Nachrichten.
Bemerkenswerterweise wurde es von einem Vulkan verursacht, der unter Hunderten von Metern Meerwasser liegt. Das Ereignis schockierte die Öffentlichkeit und Vulkanwissenschaftler gleichermaßen.
War dies eine neue Art von Eruption, die wir noch nie zuvor gesehen haben? War es ein Weckruf, den Bedrohungen durch unterseeische Vulkane auf der ganzen Welt mehr Aufmerksamkeit zu schenken?
Die Antwort ist ja auf beide Fragen.
Der Vulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai war ein wenig bekannter Seeberg entlang einer Kette von 20 ähnlichen Vulkanen, die den tongaischen Teil des Pazifiks bilden.Feuerring.“
Wir wissen viel über Oberflächenvulkane entlang dieses Rings, einschließlich Mount St. Helens in den USA, Mount Fuji in Japan und Gunung Merapi in Indonesien. Aber wir wissen sehr wenig über die Hunderte von Unterwasservulkanen in seiner Umgebung.
Es ist schwierig, teuer und zeitaufwändig, unterseeische Vulkane zu untersuchen, aber aus den Augen ist nicht mehr aus dem Sinn.
Ausbruch von Tonga bricht Rekorde
Die Hunga-Tonga-Hunga-Ha’apai-Eruption hat sich mit der höchsten jemals gemessenen Aschewolke und einer 58km Aerosolwolke „Überschwingen“, das den Raum jenseits der Mesosphäre berührte. Es löste auch die größte Anzahl von Blitzen für jede Art von Naturereignis aufgezeichnet.
Kredit: NOAA
Die Injektion großer Mengen von Wasserdampf in die äußere Atmosphärezusammen mit „Überschallknall“ (atmosphärische Druckwellen) und Tsunami die um die ganze Welt gereist sind, setzen neue Maßstäbe für vulkanische Phänomene.
COVID behinderte den Zugang zu Tonga während des Ausbruchs und seiner Folgen, aber lokale Wissenschaftler und eine internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit halfen uns herauszufinden, was zu seiner extremen Gewalt führte.
Eruption erzeugt ein riesiges Loch
Ein Team des Tongan Geological Services und der University of Auckland verwendete ein Mehrstrahl-Sonar-Kartierungssystem, um die Form des Vulkans nur drei Monate nach der Januar-Explosion genau zu vermessen.
Wir waren erstaunt, als wir feststellten, dass der Rand des riesigen U-Boot-Vulkans intakt war, aber die früher 6 km im Durchmesser flache Spitze des U-Boot-Kegels wurde von einem 4 km breiten und fast 1 km tiefen Loch zerrissen.
Dies ist als „Caldera“ bekannt und passiert, wenn der zentrale Teil des Vulkans in sich zusammenbricht, nachdem Magma schnell „herausgepumpt“ wurde. Wir berechnen, dass über 7,1 Kubikkilometer Magma ausgestoßen wurden. Es ist fast unmöglich, sich das vorzustellen, aber wenn wir die Caldera wieder auffüllen wollten, bräuchte es eine Milliarde LKW-Ladungen.
Die Physik des Hunga-Ausbruchs ist schwer zu erklären, selbst mit dem großen Magmavolumen und seiner Wechselwirkung mit Meerwasser. Wir brauchen andere treibende Kräfte, um insbesondere die klimatische erste Stunde der Eruption zu erklären.
Gemischte Magmen führen zu einer Kettenreaktion
Erst als wir die Textur und Chemie der ausgebrochenen Partikel (Vulkanasche) untersuchten, sahen wir Hinweise auf die Gewalt des Ereignisses. Verschiedene Magmen wurden vor dem Ausbruch eng vermischt und vermischt, wobei Kontraste im Mikrometer- bis Zentimeterbereich sichtbar waren.
Isotopen-„Fingerabdrücke“ unter Verwendung von Blei, Neodym, Uran und Strontium zeigen, dass mindestens drei verschiedene Magmaquellen beteiligt waren. Die Radiumisotopenanalyse zeigt, dass zwei Magmakörper älter waren und sich in der Mitte der Erdkruste befanden, bevor kurz vor dem Ausbruch ein neuer, jüngerer hinzukam.
Die Vermischung von Magmen verursachte eine starke Reaktion, bei der Wasser und andere sogenannte „flüchtige Elemente“ aus der Lösung und in Gas getrieben wurden. Dadurch entstehen Blasen und ein sich ausdehnender Magmaschaum, der das Magma zu Beginn des Ausbruchs kräftig herausdrückt.
Diese Zwischen- oder „Andesit“-Zusammensetzung hat eine niedrige Viskosität. Es bedeutet, dass Magma schnell durch enge Risse im Gestein herausgedrückt werden kann. Daher kam es 5-10 km unterhalb des Vulkans zu einer extrem schnellen Entnahme von Magma, was zu einem plötzlichen schrittweisen Einsturz der Caldera führte.
Der Einsturz der Caldera führte zu einer Kettenreaktion, weil Meerwasser plötzlich durch Risse und Verwerfungen abfloss und auf Magma traf, das aus der Tiefe des Vulkans aufstieg. Der resultierende Hochdruck-Direktkontakt von Wasser mit Magma bei mehr als 1150 ° C verursachte etwa 30 und 45 Minuten nach Beginn der Eruption zwei hochintensive Explosionen. Jede Explosion dekomprimierte das darunter liegende Magma weiter und setzte die Kettenreaktion fort, indem es das Blasenwachstum und den Aufstieg des Magmas verstärkte.
Nach etwa einer Stunde verlor die zentrale Eruptionsfahne an Energie und die Eruption bewegte sich zu einem Ausstoß von Partikeln in niedrigerer Höhe in einem konzentrischen, vorhangartigen Muster um den Vulkan.
Diese weniger konzentrierte Eruptionsphase führte zu weit verbreiteten pyroklastischen Strömen – heißen und schnell fließenden Wolken aus Gas, Asche und Gesteinsfragmenten – die in den Ozean stürzten und unterseeische Dichteströmungen verursachten. Diese beschädigten große Längen der internationalen und inländischen Datenkabel und schnitten Tonga vom Rest der Welt ab.
Unbeantwortete Fragen und Herausforderungen
Selbst nach langer Analyse einer wachsenden Zahl von Augenzeugenberichten gibt es immer noch wichtige unbeantwortete Fragen zu diesem Ausbruch.
Das wichtigste ist das, was zum größten lokalen Tsunami führte – einer 18–20 m hohen Welle, die etwa eine Stunde nach dem Ausbruch die meisten der zentraltongaischen Inseln traf. Frühere Tsunamis sind gut mit den beiden großen Explosionen etwa 30 und 45 Minuten nach Beginn des Ausbruchs verbunden. Derzeit ist der beste Kandidat für den größten Tsunami der Einsturz der Caldera selbst, der dazu führte, dass Meerwasser zurück in die neue Höhle strömte.
Dieses Ereignis hat nur Parallelen zum großen Ausbruch des Krakatau im Jahr 1883 in Indonesien und hat unsere Sicht auf die potenziellen Gefahren durch flache Unterwasservulkane verändert. Die Arbeiten zur Verbesserung der Vulkanüberwachung in Tonga unter Verwendung von seismischen Onshore- und Offshore-Sensoren zusammen mit Infraschallsensoren und einer Reihe von Satellitenbeobachtungsinstrumenten haben begonnen.
Alle diese Überwachungsmethoden sind im Vergleich zu Landvulkanen teuer und schwierig. Trotz der enormen Kosten für U-Boot-Forschungsschiffe werden intensive Anstrengungen unternommen, um andere Vulkane auf der ganzen Welt zu identifizieren, die eine Hunga-ähnliche Bedrohung darstellen.
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