Forschungsergebnisse zeigen, dass Dürre die Kohlendioxidemissionen von Mammoth Mountain verändert

Vor dreißig Jahren begannen an den Flanken eines Vulkans in der kalifornischen Sierra Nevada Bäume massenhaft abzusterben, an ihren Wurzeln erstickt durch Kohlendioxid, das nach einem Schwarm kleiner Erdbeben aus den Tiefen des Berges aufstieg.

Die Welle des Baumsterbens auf dem Mammoth Mountain, der in einem der größten aktiven Vulkansysteme des Landes liegt, veranlasste die Wissenschaftler, die Emissionen des Vulkans genauer zu überwachen.

Jetzt haben Forscher unter der Leitung des Geologen George Hilley von der Stanford University eine überraschende Entdeckung in den Langzeitaufzeichnungen gemacht: Die Ebbe und Flut der Kohlendioxidemissionen von Mammoth Mountain sind stark mit dem Gewicht von Schnee und Eis auf der Sierra Nevada verbunden die Menge an Wasser, die vom Boden in die Leitungen des Vulkans sickert.

„Dies zeigt wirklich, wie die feste Erde mit dem Klima und den Dingen, die an der Oberfläche vor sich gehen, gekoppelt ist“, sagte Hilley, Professor für geologische Wissenschaften an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). „Dürren können die Art und Weise verändern, wie Vulkane atmen.“

Die Studie, veröffentlicht am 9. März in Geophysikalische Forschungsbriefekommt inmitten eines trockenen Winters, der die kalifornische Schneedecke hinterlassen hat deutlich unterdurchschnittlich für diese Jahreszeit, mit weniger als einer verbleibenden Woche in der Regenzeit des Bundesstaates und ohne größere Schneestürme in der Vorhersage.

Bis zum Ende dieses Jahrhunderts Staatsbeamte Vorhersagen die Schneedecke der Sierra Nevada wird gegenüber dem historischen Durchschnitt vom 1. April um 48 bis 65 Prozent zurückgehen. „Änderungen in der Hydrologie der Erde aufgrund des Klimawandels könnten tatsächlich so etwas wie das Tempo beeinflussen, mit dem Gase aus vulkanischen Systemen emittiert werden“, sagte Hilley.

Hufeisensee

Hilley und Co-Autoren analysierten Messungen der Kohlendioxidemissionen, die sechs Jahre lang alle 30 Minuten am Horseshoe Lake, dem am besten untersuchten Gebiet zum Absterben von Bäumen auf dem Mammoth Mountain, durchgeführt wurden. Der Berg erhebt sich am südwestlichen Rand von Long-Tal-Calderaein Krater, der vor 760.000 Jahren durch einen Supervulkanausbruch entstand.

Die Ergebnisse zeigen eine anhaltende Reduzierung der Kohlendioxidmenge, die im Frühjahr 2017 aus dem Boden sickert, um 20 Prozent. Die Abwärtsbewegung fällt mit dem Auftauchen der Region von der intensiven Dürre und der Anhäufung der größten Schneedecke der Sierra Nevada seit Jahrzehnten zusammen.

Die Studie baut darauf auf Forschung von der USGS-Vulkanologin Jennifer Lewicki, die zeigen, dass sich die Kohlendioxidemissionen im Horseshoe Lake Tree-Kill-Gebiet saisonal und über mehrere Jahre hinweg aus Gründen änderten, die nichts mit einem Ausbruch zu tun hatten.

Auf der Suche nach einer Erklärung für diese Variationen, Lewicki und Hilley – mit Co-Autor Curtis Baden von Stanford – entwickelte mathematische Modelle, um plausible Mechanismen zu testen. Schneeschmelze und Niederschläge können beispielsweise Kohlendioxid wegspülen, das sonst aus dem Boden sickern könnte. Aber ihre Berechnungen zeigen, dass der Mammoth Mountain viel zu wenig Niederschlag erhält, um die im Frühjahr 2017 beobachteten niedrigen CO2-Werte zu erklären.

Die wahrscheinlichste Erklärung für die saisonalen Veränderungen der Kohlendioxidemissionen von Mammoth Mountain hat mit einem unterirdischen Riss oder einer Verwerfung zu tun, die für ein geschultes Auge in den Vegetationsmustern und der Topographie der Landschaft offensichtlich ist. Änderungen in der Spannungsverteilung über die gesamte Bergkette scheinen die Verwerfung wie ein Ventil zu öffnen und zu schließen oder wie die winzigen Lücken zwischen alten Dielen, die sich unter Gewichtsverlagerung biegen.

Unter Verwendung von GPS-Daten und Schneehöhenmessungen stellten die Autoren fest, dass die Druckkraft auf die Verwerfung zwischen 2014 und 2020 im Allgemeinen im Winter ihren Höhepunkt erreichte, als sich die Schneedecke über der Sierra Nevada ansammelte und während der schneefreien Sommermonate nachließ. Die Kohlendioxidemissionen sanken in Zeiten, in denen das Gewicht von Schnee und Wasser in den Bergen die Erdkruste beugte und die Felsen auf beiden Seiten der Mammoth-Mountain-Verwerfung zusammendrückte.

Eine Einschränkung der Studie besteht darin, dass sie kein auf Physik basierendes Modell der Bewegung der Verwerfung und des Gasflusses durch sie liefert. „Wir verwenden Stressänderungen als Stellvertreter für das Öffnen und Schließen eines Kanals“, sagte Hilley. „Eine interessante Studie würde ein dreidimensionales Modell des Gastransports durch eine Leitung laufen lassen, die man tatsächlich öffnen und schließen könnte, und dieses Modell dann viele Male laufen lassen, um zu sehen, ob seine Vorhersagen quantitativ mit den Kohlendioxidmessungen übereinstimmen, die wir machen.“

Vorhersage zukünftiger Eruptionen

Die Fähigkeit, zwischen klimabedingten CO2-Schwankungen und solchen zu unterscheiden, die durch einen bevorstehenden Ausbruch verursacht werden, wird bessere Gefahrenprognosen ermöglichen, die teilweise auf Anzeichen dafür basieren, dass aufsteigendes Magma Erdbeben auslöst, die Bodenoberfläche verformt oder Gase nach oben befördert. „Die Ausrichtung aller drei ist im Allgemeinen ein Hinweis darauf, dass ein Ausbruch bevorstehen könnte“, sagte Hilley.

Seit Jahrzehnten werden Bodenverformungen und Seismizität um einige der aktiven Vulkane der Vereinigten Staaten kontinuierlich mit GPS und Satelliten überwacht, und Wissenschaftler können die Daten nahezu in Echtzeit anzeigen. Aber sie haben eine düsterere Sicht auf vulkanisches Gas. „In der Vergangenheit mussten Wissenschaftler bei den meisten Vulkanen vor einem Ausbruch oder sogar zwischen Eruptionen in ein Vulkangebiet gehen und dieses Gas für spätere Analysen sammeln. Es ist echtes Zeug vom Typ Indiana Jones“, sagte Hilley.

Die Schwierigkeit, vulkanische Gase zu sammeln, hat zu begrenzten Aufzeichnungen geführt, manchmal mit nur einer einzigen Momentaufnahme der Entgasung eines Vulkans in einem bestimmten Jahr, was es schwierig macht, Veränderungen zu erkennen, die vor einem Ausbruch warnen könnten – oder Muster zu verstehen, die mit dem Klimasystem der Erde zusammenhängen .

Die neue Studie bietet einen Einblick in zukünftige Erkenntnisse, wenn Wissenschaftler Zugang zu mehr Vulkanemissionsdaten erhalten, teilweise dank der Entwicklung kostengünstigerer und langlebigerer Instrumente.

„Die Hoffnung ist, dass wir in den nächsten paar Jahren nahezu in Echtzeit aufzeichnen können, was das Gas tut“, sagte Hilley. „Wenn man genau hinschaut, sieht man saisonale Schwankungen, die wahrscheinlich nichts mit dem tatsächlichen Vulkanzustand zu tun haben.“