Füllen der Datenlücke für die Auswirkungen von Vulkanasche auf Erdsysteme

Vulkanasche ist kein gewöhnlicher Staub: Sie gelangt in die Atmosphäre, steigt in die Stratosphäre auf, beeinflusst das Klima, verunreinigt Straßen und verstopft Flugzeugtriebwerke.

Um die Wissenslücke zwischen Vulkanologen und Atmosphärenforschern zu schließen, die sich mit dem Klimawandel befassen und globale Systeme beobachten, haben Cornell-Forscher Vulkanascheproben aus vielen explosiven Eruptionen mit einem breiten Zusammensetzungsbereich charakterisiert. Die Arbeit hilft Wissenschaftlern herauszufinden, welche große Rolle dieses winzige Material – gemessen in Mikrometern und Nanometern – in der Atmosphäre spielt.

Die Arbeit, „Phasen in feiner Vulkanasche,“ wurde am 21. September veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.

„Große Vulkanausbrüche können messbare Auswirkungen auf das Klima haben, die über Jahre oder sogar Jahrzehnte anhalten“, sagte Erstautor Adrian Hornby, Postdoktorand am Department of Earth and Atmospheric Sciences. „Die Ausbreitung und der Transport feiner Vulkanasche und ihre Wechselwirkung mit der Erde berühren verschiedene Disziplinen – von der Atmosphärenwissenschaft und Klimamodellierung bis hin zu Umweltstudien und sogar der öffentlichen Gesundheit.“

Vulkane können durch heiße Stellen tief im Erdmantel entstehen, wie etwa auf Hawaii, oder sie können sich in Subduktionszonen bilden, wo zwei tektonische Platten kollidieren. Aber jedes weist unterschiedliche, fingerabdruckähnliche Zusammensetzungen auf, die eine Vielzahl von Umweltproblemen auslösen können, die Komplikationen für den Planeten darstellen.

Die Asche von Vulkanen ist ein komplexes Partikelmaterial, das durch die Fragmentierung von Magma entsteht und bei explosiven Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre injiziert wird, sagte Hornby.

„Die Asche enthält Anteile von Mineralien, Silikatglas und Poren, aber die erwartete Zusammensetzung und die Eigenschaften, die bei Eruptionen entstehen, sind nur unzureichend definiert“, sagte Hornby. „Dies gilt für feine Vulkanasche, die weit in die Atmosphäre transportiert wird und vielfältige Auswirkungen auf das Erdsystem, die Infrastruktur und die menschliche Gesundheit hat.“

Aufgrund des Mangels an Daten verließ sich die wissenschaftliche Gemeinschaft auf grobe Näherungen oder schlechte Modelle der Aschezusammensetzung. Nun sammelte die Cornell-Gruppe Proben von 40 Eruptionen, die durch ihre Größe und ihren tektonischen Hintergrund gekennzeichnet waren, um einen besseren, umfassenden Datensatz bereitzustellen. Sie konzentrierten sich auf Vulkanaschekörner mit einer Größe von weniger als 45 Mikrometern, was relevant ist, da atmosphärische Winde sie transportieren und größere Auswirkungen haben können.

Sie fanden heraus, dass die Zusammensetzung der Vulkanasche je nach Korngröße, tektonischer Lage und Chemie erheblich variiert. Mit zunehmender Korngröße stiegen die Anteile an kristalliner Kieselsäure (die beim Einatmen gesundheitliche Beschwerden und Lungenkrebs hervorrufen kann) und Salze, während die Bestandteile Glas und Eisenoxid abnahmen.

In ihren gesiebten Proben – darunter Orte wie Mount Pinatubo, Philippinen (1991), Mount St. Helens, Washington (1980) und Mount Ätna, Italien (122 v. Chr.) und La Palma, Kanarische Inseln, Spanien (2021) – von 23 Vulkanen nutzte die Gruppe Röntgenbeugung, um die atomare Struktur von Materialien zu erkennen und mit verbesserten Methoden die Anteile von Mineralien und Glas zu identifizieren und zu messen, sowie ein Rasterelektronenmikroskop, um Phasen zu bestätigen und Morphologie und Texturen zu bewerten.

Die Proben variierten stark in ihrem Mineralgehalt: Pinatubo produzierte viel Feldspat (eine häufig vorkommende Gruppe von Aluminosilikatmineralien aus der Erdkruste) und Amphibole (ein wichtiges Mineral für die vulkanische Explosivität) sowie Quarz, Hinweise auf eine signifikante Schmelzentwicklung durch fraktionierte Kristallisation und anderes Prozesse vor dem Ausbruch.

Im anderen Extrem, bei den Tajogait-Ausbrüchen im Jahr 2021 auf La Palma, Kanarische Inseln, Spanien, bestand die Mineralfracht hauptsächlich aus Feldspat, Klinopyroxen und Olivin – das letzte Mineral ist ein charakteristisches Mineral für primitive Schmelzen mit geringer Entwicklung aus ihrer Mantelquelle.

Hornby sagte, dass bei Proben, die während des Tajogait-Vorkommens 2021 gesammelt wurden, der durchschnittliche Glasanteil von 50 % auf 35 % zurückgegangen sei, während der Anteil dichter, eisenhaltiger Mineralien von 35 % auf 50 % gestiegen sei. Die Salze waren bei feineren Partikeln in allen Fällen höher.

„Bei feinkörnigerer Asche sahen wir einen deutlichen Anstieg des Salzgehalts“, sagte der leitende Autor Esteban Gazel, Charles N. Mellowes-Professor für Ingenieurwissenschaften. „Das ist wichtig, weil sich Salze leicht auflösen lassen. Salz ist das Erste, was sich auflöst, wenn die feine Asche den Ozean erreicht. Man sollte es nicht einatmen, da es sonst mit der Lunge reagiert.“

Vulkanasche ist aufgrund ihrer Massenproduktion, ihres atmosphärischen Transports und ihrer Ablagerung in allen bekannten Ökosystemen der interdisziplinärste Aspekt des Vulkanismus. „Unsere Studie liefert die erste datengesteuerte Ressource, um die Mineral- und Glaszusammensetzung und -dichte von Vulkanasche besser einzuschätzen, die Atmosphärenforscher benötigen, um den Aschetransport zu untersuchen und seine Auswirkungen auf das Erdsystem besser zu verstehen“, sagte Gazel, der auch Fakultätsmitglied ist das Cornell Atkinson Center for Sustainability.

Die Aschedichte wird durch den Mineralgehalt gesteuert. „Unabhängig von der Größe, unabhängig von der Herkunft des Magmas“, sagte Hornby, „konnten wir eine einigermaßen gute Dichteschätzung aus den Mineralien und Eisenoxiden erhalten.“

Diese atmosphärische Asche kann weite Strecken zurücklegen und Auswirkungen auf das Klima und die Ökosysteme haben – sogar auf anderen Kontinenten – weit entfernt vom Vulkan. „Atmosphärenforscher haben die Auswirkungen von Asche auf das Klima und die Biogeochemie ignoriert“, sagte Co-Autorin Natalie Mahowald, Professorin für Ingenieurwissenschaften an der Irving Porter Church. „Mit dieser Forschung verfügen wir endlich über die Daten, um die Auswirkungen abzuschätzen.“