Geologen erstellen vorläufigen Bericht über Tonga-Ausbruch

Am 15. Januar verwüstete der Vulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai die Nation Tonga. Der Ausbruch löste Tsunamis bis in die Karibik aus und erzeugte atmosphärische Wellen, die mehrmals um den Globus wanderten. Währenddessen schoss die Wolke des Vulkans Gas und Asche durch die Stratosphäre in die untere Mesosphäre.

Nur zwei Monate nach dem Ausbruch haben Geologen einen vorläufigen Bericht über seinen Verlauf erstellt. Melissa Scruggs von der UC Santa Barbara und der emeritierte Professor Frank Spera waren Teil eines internationalen Forscherteams, das den ersten ganzheitlichen Bericht über das Ereignis in der Zeitschrift veröffentlichte Fortschritte in der Erdbebenforschung. Die Autoren glauben, dass ein Ausbruch am Tag zuvor den Vulkan auf die heftige Explosion vorbereitet haben könnte, indem er seinen Hauptschlot unter die Meeresoberfläche senkte. Dadurch konnte geschmolzenes Gestein eine große Menge Meerwasser verdampfen, was den Vulkanausbruch schon am nächsten Tag verstärkte.

„Dies ist definitiv, ohne Zweifel, der größte Ausbruch seit dem Mt. Pinatubo im Jahr 1991“, sagte die korrespondierende Autorin Scruggs, die die Magmamischung und die Mechanismen zur Auslösung von Eruptionen untersucht und kürzlich an der UC Santa Barbara promoviert hat. Sie verglich das Ereignis im Januar mit dem Ausbruch des Krakatau im Jahr 1883, der 3.000 Meilen entfernt zu hören war.

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (HTHH) ist ein Stratovulkan: ein großer, kegelförmiger Berg, der zu periodischen heftigen Eruptionen neigt, aber normalerweise eine mildere Aktivität aufweist. Es ist einer von vielen entlang des Tofua Volcanic Arc, einer Reihe von Vulkanen, die von Magma aus der Pazifischen Platte gespeist werden und unter die Indo-Australische Platte tauchen. Hitze und Druck kochen die Felsen der absteigenden Platte und treiben Wasser und andere flüchtige Stoffe aus. Dasselbe Wasser senkt die Schmelztemperatur des darüber liegenden Gesteins, was zu einer Kette von Vulkanen etwa 100 Kilometer von der Plattengrenze entfernt führt.

Eine untergetauchte Gefahr

Die Inseln Hunga Tonga und Hunga Ha’apai – nach denen der Vulkan benannt ist – sind nur die beiden höchsten Punkte am Rand der Caldera oder des zentralen Kraters. Oder sie waren es, bis der Ausbruch die meisten Inseln in den Himmel sprengte.

Scruggs hörte zum ersten Mal von dem Ausbruch, als sie durch ihren Twitter-Feed scrollte, während sie sich fürs Bett fertig machte. „Ich habe ein GIF des Satellitenausbruchs gesehen und mein Herz hat einfach aufgehört“, sagte sie und hielt inne, um ihre Worte zu finden. Sie wusste sofort, dass das Ereignis massive Verwüstungen anrichten würde. „Der gruseligste Teil war, dass das ganze Land abgeschnitten war und wir nicht wussten, was passiert war.“

Während sich die Ereignisse abspielten, schickte sie bereits Nachrichten an andere Vulkanologen und versuchte, die Bilder zu verstehen, die die Satelliten so eindeutig aufgenommen hatten. „Wir wollten wirklich nur versuchen zu verstehen, was passiert ist“, sagte Scruggs. „Also haben wir alle Informationen gesammelt, die wir konnten, alles, was in den ersten Wochen verfügbar war.“ Die Autoren stützten sich auf alle Ressourcen, die sie finden konnten, um diesen Ausbruch schnell zu charakterisieren, einschließlich öffentlich zugänglicher Daten, Videos und sogar Tweets.

Unter Verwendung einer Vielzahl von Datensätzen errechnete das Team, dass das Ereignis vom 15. Januar um 17:02 Uhr Ortszeit (0402 ±1 UTC) begann. Der US Geological Survey verzeichnete etwa 13 Minuten später am Ort der Entlüftung ein seismisches Ereignis. Die ersten zwei Stunden des Ausbruchs waren besonders heftig, wobei die Aktivität nach etwa 12 Stunden nachließ.

Aber die Eruptionsaktivität hatte tatsächlich bereits am 20. Dezember 2021 begonnen. Und davor war der Vulkan 2009 und erneut 2014 und 2015 ausgebrochen. Scruggs glaubt, dass diese früheren Episoden vielleicht der Schlüssel zum Verständnis der Gewalt hinter dem jüngsten Ausbruch von HTHH sind im Zusammenhang mit Änderungen im Magma-Verrohrungssystem in der Tiefe oder der Chemie des Magmas im Laufe der Zeit.

Hunga Tonga und Hunga Ha’apai waren getrennte Inseln gewesen, bis sie durch Eruptionen aus dem Hauptschlot des Vulkans vereint wurden, wodurch eine Landbrücke entstand. „Diese Insel wurde erst 2015 geboren“, sagte Scruggs. „Und jetzt ist es weg. Ohne das Satellitenzeitalter hätten wir nicht einmal gewusst, dass es jemals existiert hat.“

Am 14. Januar 2022 zerstörte eine Explosion des Hauptschlots diese Verbindung und versenkte den Schlot unter der Meeresoberfläche. „Wäre diese Landbrücke nicht entfernt worden, hätte sich der Ausbruch vom 15. Januar möglicherweise genauso verhalten wie am Tag zuvor, weil er nicht so viel Meerwasser gehabt hätte“, bemerkte Scruggs.

Eine atemberaubende Explosion

Gleicher Vulkan, ein Tag Unterschied: Am Freitag war der Schlot über dem Wasser, am Samstag war er darunter. „Das hat den Unterschied in der Welt ausgemacht“, sagte Scruggs.

Das Team glaubt, dass das Meerwasser eine große Rolle bei der Gewalt und Kraft hinter dem Ausbruch vom 15. Januar gespielt hat. Ähnlich wie bei einer Flaschenrakete erfordert ein Ausbruch dieser Größenordnung das richtige Verhältnis von Wasser und Gas, um die Kraft bereitzustellen, um ihn in den Himmel zu schicken.

Und es ging auch ab wie eine Rakete. „Es ist auf halbem Weg ins All gelandet“, rief Scruggs aus. Die Aschewolke schoss 58 Kilometer in die Atmosphäre, vorbei an der Stratosphäre und in die untere Mesosphäre. Das ist mehr als das Doppelte der Höhe, die die Wolke vom Mt. Saint Helens im Jahr 1980 erreichte.

Eine wirklich erstaunliche Menge an Blitzen begleitete den Ausbruch ebenfalls. Die Autoren vermuten, dass verdampfendes Meerwasser dazu führte, dass die Lava in mikroskopisch kleine Aschepartikel zersplitterte, die durch winzige Eiskristalle verbunden wurden, als der Dampf in der oberen Atmosphäre gefror. Die Bewegung, Temperaturänderung und Größe der Partikel erzeugten unglaubliche Mengen an statischer Ladungstrennung, die über der Eruption aufblitzte. In den ersten zwei Stunden des Ausbruchs teilten etwa 80 % aller Blitzeinschläge auf der Erde den Himmel über Hunga Tonga-Hunga Ha’apai.

Die Autoren schätzen, dass rund 1,9 km3 Material mit einem Gewicht von 2.900 Teragramm am 15. Januar von HTHH ausbrach. „Aber das Volumen der Eruption war nicht die große Sache“, sagte Spera, Co-Autor der Veröffentlichung und Doktorvater von Scruggs . „Das Besondere war, wie die Energie des Ausbruchs mit der Atmosphäre und den Ozeanen gekoppelt war: Ein Großteil der Energie ging in die Bewegung von Luft und Wasser auf globaler Ebene.“

Die Schockwelle, die sich durch den Ozean ausbreitete, löste Tsunamis im gesamten Pazifik und darüber hinaus aus. Darüber hinaus traf die Welle schneller ein als von Tsunami-Warnmodellen vorhergesagt, da die Modelle nicht für Vulkanausbrüche kalibriert sind – sie basieren auf Gleichungen, die durch Erdbeben verursachte Tsunamis beschreiben.

Ein zweiter Tsunami folgte der atmosphärischen Druckwelle. Diese Schockwelle löste sogar einen Meteo-Tsunami in der Karibik aus, die keine direkte Verbindung zum Südpazifik hat. Scruggs nannte es beispiellos: „Im Grunde schwappte der ganze Ozean fünf Tage lang nach dem Ausbruch herum“, fügte sie hinzu.

Viel zu tun

Wissenschaftler sind immer noch dabei, zusammenzusetzen, was am Vulkan passiert ist, also müssen sie noch ein vollständiges Verständnis der Tsunami-Welle entwickeln. Es ist jedoch eine wichtige Aufgabe, Tsunami-Vorhersagesysteme zu aktualisieren, damit sie diese Art von Mechanismus berücksichtigen. Andernfalls könnten Warnungen beim nächsten Ausbruch eines Vulkans wie HTHH falsch sein und möglicherweise mehr Menschenleben kosten.

Tatsächlich unterstreicht das Ereignis die Gefahr, die von nicht überwachten Unterwasservulkanen ausgeht. Trotz der Verwüstung waren die Menschen in Tonga relativ gut auf den Ausbruch vom 15. Januar vorbereitet. Die Regierung hatte aufgrund der Aktivität des Vortages Warnungen herausgegeben, und die Nation hatte Pläne für Eruptionen und Tsunamis.

HTHH hat in der Vergangenheit ähnlich heftige Eruptionen erlebt. Ein aktuelles Papier von Forschern der University of Otago, Neuseeland, enthüllte, dass eine große Eruption die Caldera auf dem Gipfel des Unterwasservulkans vor etwa 1.000 Jahren zerstörte. Und ähnliche Vulkane könnten durchaus auf die gleiche Weise ausbrechen. Betrachten Sie Kick ‚em Jenny, einen weiteren Unterwasservulkan, dessen Hauptschlot nur 150 Meter unter Wasser liegt. Es liegt nur 8 km nördlich der Insel Grenada. „Stellen Sie sich vor, in der Karibik passierte so etwas wie der Tonga-Ausbruch“, sagte Scruggs.

Die Forscher arbeiteten schnell nur mit öffentlich zugänglichen Daten. Sie planen, alle ihre Ergebnisse erneut zu überprüfen, sobald weitere Informationen und Proben verfügbar werden und mehr Forscher ihre eigenen Ergebnisse zu diesem bahnbrechenden Ausbruch veröffentlichen. Ihr primäres Ziel war es, einen Ausgangspunkt für die zukünftige Arbeit an dem Thema zu bieten.

Scruggs ist besonders daran interessiert, etwas über die Asche zu erfahren, die bei diesem Ausbruch gesammelt wurde. Vulkangestein liefert einem ausgebildeten Geologen eine Fülle von Informationen. Die Untersuchung des Materials könnte Aufschluss darüber geben, welche Art von Magma ausgebrochen ist, wie viel davon vorhanden war und vielleicht sogar, wie viel Meerwasser an der Eruption beteiligt war.

„Es wurden so viele Fragen aufgeworfen“, sagte Scruggs. „Dinge, die wir nicht einmal für möglich gehalten haben, wurden jetzt aufgezeichnet.“

Die Forscher der UC Santa Barbara werden im Oktober dieses Jahres auf der Jahrestagung 2022 der Geological Society of America in Denver eine spezielle eingeladene Sitzung zum Ausbruch des Hunga Tonga-Hunga Ha’apai leiten. „Es wird spannend sein zu sehen, was zahlreiche andere Geowissenschaftler über diesen einzigartigen Vulkan entdecken können“, sagte Spera. „Wir stehen erst am Anfang.“