Vulkanblitze im Labor

In den Aschewolken von Vulkanen lassen sich Blitze beobachten – ein bislang wenig untersuchtes und kaum verstandenes Phänomen. Corrado Cimarelli von der LMU München und seine Kollegen stellen deshalb kleine Vulkanexplosionen im Labor nach. In einem Podcast berichtete der Physiker über diese Experimente.

Der isländische Vulkan Eyjafjallajökull schleuderte 2010 eine gewaltige Aschewolke in die Luft. Darin zuckten damals Blitze, die Corrado Cimarelli und seine Kollegen nun im Labor nachstellen. Die Forscher interessieren sich besonders für den Moment, in dem ein Vulkan explodiert.

„Hier im Labor machen wir auch Explosionen. Dafür benutzen wir diese Fragmentationsbombe, das ist einfach ein Edelstahlrohr.“

Corrado Cimarelli von der LMU in München

Corrado Cimarelli steht neben dem raumhohen Edelstahlrohr, in dem die Forscher ihren Vulkan zünden – zwar ohne Magma und glühende Lava, dafür aber mit einem Gramm echter Vulkanasche. Diese befindet sich zunächst in einem Druckbehälter unter dem Edelstahlrohr und lässt sich unter realen Druckverhältnissen nach oben katapultieren. Durch ein Plexiglasfenster können die Vulkanologen den Vulkanausbruch in Miniaturausgabe beobachten – und vor allem hören. Das Ergebnis ist ein Strahl aus Asche, der zu schnell nach oben schießt, als dass das menschliche Auge ihn verfolgen könnte. Im Labor müssen die Wissenschaftler den Druck künstlich erzeugen. Bei echten Vulkanausbrüchen ist ein Gemisch aus Gasen und geschmolzenem Gestein, dem Magma, dafür verantwortlich.

„Die Aschewolken entstehen bei explosiven Eruptionen. Im Magma ist Gas enthalten und das dehnt sich aus und formt Blasen, während das Magma an die Oberfläche steigt. Im Krater angekommen, explodieren diese Blasen und dadurch wird das Magma in Teile fragmentiert. Die sind unterschiedlich groß. Und die kleinsten Teilchen, die kleiner als zwei Millimeter groß sind, nennen wir Vulkanasche.“

Stößt ein Vulkan eine Aschewolke aus, kann ein Phänomen auftreten, das bereits der römische Senator Plinius der Jüngere beim Ausbruch des Vesuvs vor fast zweitausend Jahren beschrieb: In der Aschewolke zucken Blitze, die sich über mehrere Kilometer erstrecken können. Auch beim Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im Jahr 2010 war dies der Fall. Grundsätzlich lassen sich diese sogenannten Vulkanblitze durchaus mit den Blitzen, die während eines Gewitters entstehen, vergleichen.

„Es gibt viele Gemeinsamkeiten zwischen Gewitterblitzen und Vulkanblitzen. In beiden Fällen ist Hochspannung die Voraussetzung, das ist klar. Natürlich sind die Entstehungsbedingungen jeweils ganz andere. Generell sind die Vulkanblitze viel kürzer als die Gewitterblitze.“

Die extrem kurze Dauer solcher Vulkanblitze ist der Grund, warum in Corrado Cimarellis Labor eine Hochgeschwindigkeitskamera steht, die den simulierten Vulkanausbruch filmt. Denn auch während dieser vergleichsweise winzigen Ascheeruption entstehen Vulkanblitze, die dem menschlichen Auge allerdings verborgen bleiben.

Ein Blick von oben auf die Fragmentationsbombe

„Die Hochgeschwindigkeitskamera geht bis 50 000 Bildern pro Sekunde. Wir benutzen normalerweise mehr als 25 000 Bilder pro Sekunde und mehr und können durch das Plexiglas alles beobachten. Aber manchmal sind die Blitze so klein und so schnell, dass wir auch mit der Hochgeschwindigkeitskamera nicht alles sehen können.“

Deshalb zeichnen zwei zusätzliche Kupferringe als Antennen die elektrostatischen Entladungen auf. Bis zu zehn Zentimeter lang können die Vulkanblitze im Labor sein. Ihre Dauer beträgt nur wenige Millisekunden. Diese Blitze entstehen, wenn in der Aschewolke eine so große elektrische Spannung herrscht, dass die Luft selbst zum elektrischen Leiter wird und so Strom fließen kann. Dahinter stecken zwei Mechanismen.

„Elektrostatische Ladung entsteht auf der Asche, wenn diese fragmentiert – ein als Fraktoemission bekanntes Phänomen –, oder wenn es Reibung zwischen den Ascheteilchen gibt, also triboelektrische Aufladung.“

Der triboelektrische Effekt begegnet uns auch im Alltag. Er sorgt beispielsweise dafür, dass uns die Haare zu Berge stehen, wenn jemand mit einem Luftballon daran reibt. Oder dafür, dass wir bei der Berührung einer metallischen Türklinke einen kleinen Schlag bekommen, wenn wir zuvor mit Plastiksohlen über einen Teppich gelaufen sind. Die Reibung zwischen zwei Materialien – also zwischen Sohle und Teppich oder zwischen zwei Ascheteilchen – führt zu einem Austausch von Ladungsträgern: Die Materialien werden elektrisch geladen. Der kleine Schlag bei der Berührung der Türklinke erfolgt, weil dieser Ladungsüberschuss dann abfließen kann. Im Fall der Vulkanasche führt er zur Entladung in Form der Blitze. Im Labor konnten die Wissenschaftler die Entstehung der Vulkanblitze unter kontrollierten Bedingungen erforschen. So fanden sie zum Beispiel heraus, dass die Anzahl der Vulkanblitze nicht von der Art und Zusammensetzung der Asche abhängt, sondern von ihrer Größe.

Erzeugung von Vulkanblitzen im Labor

Erzeugung von Vulkanblitzen im Labor

„Die Größe von Partikeln ist ganz wichtig. Die kleineren Partikel produzieren mehr Blitze.“

Diesen Zusammenhang zwischen der Anzahl von Blitzen und dem Anteil an feinen Ascheteilchen wollen die Forscher nun auch bei echten Vulkanexplosionen weiter erforschen. So hoffen sie langfristig, aus der Anzahl der Blitze Erkenntnisse über die Zusammensetzung der Aschewolke gewinnen zu können. Dafür könnte man in der Nähe von Vulkanen Antennen aufstellen, die die Blitze registrieren.

„Und dann lässt sich prüfen, wie viele Blitze eine Aschesäule generieren kann. Wenn sich der Zusammenhang zwischen der Größe von Partikeln und der Anzahl der Blitze bestätigt, könnte man aus mehreren Blitzen auf feinere Asche schließen. Für den Flugverkehr ist das sehr wichtig.“

Eyjafjallajökull legte im Jahr 2010 den Flugverkehr für mehrere Wochen lahm, weil sich seine Asche in der Atmosphäre ausbreitete. Verhindern könnten die Vulkanologen das zwar auch in Zukunft nicht. Aber vielleicht könnten die Vulkanblitze dann zumindest als eine Art Frühwarnsystem dienen.