Entfesselten Naturkräften mit ihren zerstörerischen und oft tödlichen Folgen steht der Mensch auch heute noch meist machtlos gegenüber. Ob Orkane, Erdbeben, Überschwemmungen oder Vulkanausbrüche – stets haben die Betroffenen nur dann eine Chance, mit geringstmöglichem Schaden an Leib und Leben davonzukommen, wenn sie rechtzeitig vorgewarnt werden. Während Erdbeben in der Regel immer noch unvorhersehbar zuschlagen und dabei – wie jüngst in der Türkei – tausendfachen Tod und Vernichtung bringen, gibt es bei Vulkanausbrüchen mittlerweile recht verläßliche Methoden zur Früherkennung. Ihnen ist es beispielsweise zu verdanken, daß die bislang letzte verheerende Eruption zwar enormen Schaden anrichtete, aber nur wenige Menschenleben forderte.

Diese Katastrophe nahm am 18. Juli 1995 ihren Anfang. Auf der etwa 100 Quadratkilometer großen Insel Montserrat, einer britischen Kronkolonie in der Karibik, öffnete sich der Boden in einem alten Krater der Soufriere Hills. Wolken aus Dampf und feiner Asche stiegen auf. Dies kam einerseits überraschend, da der Vulkan lange geruht hatte. Es gab zwar Hinweise auf eine kleinere Eruption vor etwa 400 Jahren – kurz vor der Entdeckung der Insel durch Christoph Columbus; der letzte große Ausbruch dürfte aber mehr als 20000 Jahre zurückgelegen haben. Andererseits waren Anfang 1992 und dann wieder 1994 Erdbebenschwärme unter der Insel aufgetreten, die Vulkanologen als Zeichen für ein Erwachen des nur scheinbar erloschenen Feuerbergs gedeutet hatten.

Und die Experten sollten recht behalten. Die Heftigkeit der Eruption steigerte sich bis zum November 1995, als der einsetzende Ascheregen zur Evakuierung des Südteils der Insel zwang. Im weiteren Verlauf türmte sich über dem Vulkanschlot ein Magmadom auf, von dem schließlich mehrfach Teile abbrachen. Als Folge davon rasten sogenannte pyroklastische Ströme – "Lawinen" aus etwa 800 Grad Celsius heißen Gasen, Asche und glühenden Gesteinsbrocken – mit Geschwindigkeiten von 100 Kilometern pro Stunde die Berghänge hinab (Bild). Im Frühsommer 1997 wurde daraufhin die gesamte Südhälfte der Insel zur Gefahrenzone erklärt.

Am 25. Juni 1997 kollabierte der gesamte Magmadom; es kam zu riesigen Glutlawinen, die weiter vorstießen als zuvor und mehr als 20 Menschen töteten – hauptsächlich Bauern, die sich der Evakuierung widersetzt hatten. Aus Angst vor einer Explosion der gesamten Insel flohen mehrere tausend Einwohner. Im September 1997 zerstörten pyroklastische Ströme die vorsorglich evakuierte Inselhauptstadt Plymouth im Westen und den Flughafen im Osten.

Aschesäulen stiegen bis zu zwölf Kilometer in den Himmel, und gewaltige magmatische Explosionen im Zehn-Stunden-Takt ließen Bomben aus Bimssteinen über der Insel niedergehen. Am 26. Dezember 1997 schließlich brach erneut ein Magmadom zusammen, und ein pyroklastischer Strom mit geschätzten 42 Millionen Kubikmetern vulkanischen Materials verwüstete die Westseite des Vulkankegels und begrub mehrere verlassene Dörfer unter sich.

Obwohl der Vulkan seit dem März 1998 wieder ruht, hat sich das Leben auf Montserrat noch längst nicht normalisiert. Von den ursprünglich 12000 Inselbewohnern ist weniger als die Hälfte zurückgeblieben. Ende 1997 schätzten die Vulkanologen das auf die Insel ausgeworfene vulkanische Material auf 232 Millionen Kubikmeter, was einer Ejektionsrate von 5 Kubikmetern pro Sekunde entspricht. Die tatsächliche Menge dürfte noch um einiges größer gewesen sein, da Explosionen überwogen und die Förderprodukte größtenteils ins Meer fielen.

Daß bei einem derart gewaltigen Ausbruch nur so wenig Menschen getötet wurden, ist ein großer Erfolg der Vulkanologen. Sie schätzten die Situation von vornherein richtig ein und veranlaßten in Zusammenarbeit mit den Behörden geeignete Maßnahmen zum Katastrophenschutz.

Leider gibt es jedoch auch Gegenbeispiele. Das verhängnisvollste liegt nur 15 Jahre zurück. Damals starben in der Stadt Armero in Kolumbien beim Ausbruch des Nevado del Ruiz mehr als 20000 Menschen. Diese Katastrophe war in mehrfacher Hinsicht besonders tragisch. Zum einen handelte es sich nur um eine mäßig starke und damit eigentlich harmlose Eruption. Zum anderen liegt die Stadt fast 50 Kilometer von dem Vulkan entfernt – und damit scheinbar außerhalb der Gefahrenzone. Vor allem aber hatten Vulkanologen in zuvor ausgearbeiteten Risikokarten die drohende Gefahr sehr wohl richtig eingeschätzt – nur hatte sie niemand ernst genommen.

Als fatal erwies sich nicht die Eruption selbst, sondern eine indirekte Folgeerscheinung. Der Ausbruch ließ nämlich die Eiskappe auf dem Vulkangipfel schmelzen. Dadurch bildete sich ein Lahar, eine Schlammlawine, die mit hoher Geschwindigkeit die Hänge herabraste und auch noch das 50 Kilometer entfernte Armero mit meterhohen Schlickmassen überflutete, vor denen es kein Entrinnen gab.

Dies widerlegt den verbreiteten Irrglauben, die Prognose von Vulkanausbrüchen in entlegenen Regionen sei mehr von akademischem Interesse als von praktischem Nutzen. Zum Ausmaß der Zerstörung durch eine Eruption gehören neben den direkten Auswirkungen in unmittelbarer Nähe des Vulkans nämlich auch die indirekten Folgeerscheinungen, die oft noch verheerender sind.

Es war vor allem die spektakuläre, aber relativ glimpflich verlaufene Eruption des Mount St. Helens im US-Bundesstaat Washington im Jahre 1980, die das allgemeine Bewußtsein für die vulkanischen Gefahren schärfte und der Vulkanologie einen kräftigen Impuls gab. Dennoch reichten die Fortschritte in den folgenden Jahren nicht aus, die katastrophalen Folgen der Ausbrüche des El Chi-chón in Mexiko (2000 Todesopfer im Jahre 1982), des Nevado del Ruiz in Kolumbien (20000 Tote, 1985) oder des Nyos-Sees in Kamerun (1700 Tote, 1986) abzuwenden. Sie sind vergleichbar mit den Auswirkungen der verheerenden Eruptionen zu Beginn des 20. Jahrhunderts. So forderte 1902 der Ausbruch der Montagne Pelée auf Martinique 29000 und der des Santa Maria in Guatemala 6000 Tote, während die Eruption des Taal auf den Philippinen neun Jahre später 1300 Menschen das Leben kostete.

Dies ist eine paradoxe Situation. Obwohl sich die Prognosemöglichkeiten deutlich verbessert haben, blieben die Verluste am Ende des Jahrhunderts gleich hoch wie zu seinem Beginn (Bild unten). Der Widerspruch erklärt sich aus der oft mangelhaften Zusammenarbeit zwischen Experten und den örtlichen Behörden. Wo Koordinationsfehler vermieden wurden und die Kooperation funktionierte, konnten große Katastrophen verhütet oder zumindest gemildert werden. Außer dem Ausbruch des Soufriere-Vulkans auf Montserrat sind die Eruptionen des Rabaul in Neu Guinea im Jahr 1994 und des Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991 Beispiele dafür.

Statistisch gesehen, sind katastrophale vulkanische Eruptionen selten. Sie liegen zusammen mit Erdbeben nur auf Platz fünf der häufigsten Naturkatastrophen – hinter Waldbränden, Überschwemmungen, Seestürmen und Heuschreckenplagen. Die Internationale Vereinigung der Vulkanologen hat weltweit 15 Vulkane für weiterführende Studien und eine kontinuierliche Überwachung ausgewählt (Bild oben). In einem EU-Programm sollen außerdem an sechs aktiven europäischen Vulkanen neue
Methoden der Ausbruchsvorhersage und Schadensminderung entwickelt werden.

Tatsächlich ist Vulkan nämlich keineswegs gleich Vulkan. Deshalb muß eine Überwachung und Vorhersage den spezifischen Verhältnissen angepaßt sein. Auch bei der Bewertung des Risikos für die Betroffenen gelten unterschiedliche Erwägungen. So ist es für einen Geschäftsmann, der mit bedeutenden Gewinnen rechnen kann, ein durchaus tragbares Risiko, wenn er im Einzugsgebiet eines seit Jahrzehnten ruhenden Vulkans investiert. Die verantwortlichen Behörden für Raumordung hingegen müssen andere Maßstäbe anlegen und eine möglichst langfristige Vorbeugung anstreben.

Analog zur seismologischen Meßskala für die Stärke von Erdbeben bewerten auch die Vulkanologen Eruptionen unter energetischen Gesichtspunkten. Deren Zerstörungskraft hängt von der pro Zeiteinheit freigesetzten Energiemenge ab. Generell unterscheidet man zwischen hochgefährlichem Vulkanismus, der mit gewaltigen Explosionen einhergeht, und ruhigen, kontrollierteren Eruptionen, die sich durch eine geringe Explosivität und den Ausfluß größerer Lavamengen (Effusion) auszeichnen.

Explosive Eruptionen setzen schlagartig sehr viel Energie frei und dauern meist nur kurz. Effusive Vulkane geben ihre Energie dagegen langsam durch Erkalten der Schmelzen ab, die mehr oder weniger kontinuierlich über einen Zeitraum von mehreren Monaten austreten können. Insgesamt sind in den nächsten Jahren nur sehr wenige gewaltsame Eruptionen zu erwarten.

Um für eine vulkanisch aktive Region Risikokarten erstellen sowie Eruptionsmodelle entwickeln und Vorhersagen über Verteilung und Mächtigkeit der Asche-Ablagerungen machen zu können, braucht man Informationen über frühere Ausbrüche. Leider finden sich nur selten Aufzeichnungen ehemaliger Eruptionen. So reichen in ganz Amerika und auf den Kanaren die schriftlichen Zeugnisse nur 500 Jahre zurück.

Detaillierte Berichte von Vulkanausbrüchen sind rar, und noch viel seltener haben Wissenschaftler die Ausbrüche mit Meßgeräten erfaßt. Auf den Kanaren etwa liegt die letzte explosive Eruption im Gebiet des Teide 2000 Jahre zurück. Alle historisch belegten Ausbrüche waren effusiver Natur. Und selbst von der letzten Eruption des Vulkans Teneguía auf der Insel La Palma im Jahre 1971 (Bild im Kasten auf Seite 74) existieren keine nennenswerten Meßdaten.

Um die Eruptionstätigkeit in vorhistorischer Zeit zu rekonstruieren, müssen Vulkanforscher auf geologische Daten zurückgreifen. Petrologie und Geochronologie helfen, die aktiven Perioden und die Ruhephasen eines Vulkans mit Zyklen in Verbindung zu bringen, in deren Verlauf Gestein in der Magmakammer aufgeschmolzen oder Schmelze von unten eingeströmt ist. Sind diese Zyklen ermittelt, können Modelle zur Ausbruchsvorhersage erarbeitet werden. Generell gilt, daß das Erwachen eines Vulkans um so gewaltsamer ist, je ausgedehnter seine Ruhephase war.

Mit Computersimulationen lassen sich heute vielfach die wesentlichen Parameter einer erwarteten Eruption vorhersagen – vor allem ihre Intensität und die chemische Zusammensetzung des austretenden Materials. Dabei wird ein vereinfachtes physikalisches Modell des Eruptionsprozesses zugrunde gelegt, in das zusätzliche Daten über die Oberflächengestalt und den Aufbau des Vulkans sowie den Ursprung und die Zusammensetzung seiner Gesteinsmassen eingehen. Simulationen zum Verhalten von Lavaströmen haben bereits einen hohen Grad an Zuverlässigkeit erreicht; bei pyroklastischen Strömen sind die Prognosen dagegen noch nicht so gut.

Durch die Kopplung mathematischer Simulationsmodelle mit geographischen Informationssystemen können aktuelle Risikokarten erstellt werden. Sensoren und Sonden, welche die Aktivität vor Ort messen, liefern jeweils die neuesten Daten, deren Analyse mögliche Hinweise auf einen bevorstehenden Ausbruch gibt.

Der Eruptionsprozeß wird vom Aufstieg des Magmas eingeleitet. Basaltische Schmelzen, die relativ dünnflüssig sind und sich in Lavaströmen ergießen, treten gewöhnlich vom oberen Erdmantel auf direktem Weg an die Oberfläche. Sogenannte rhyolithische oder phonolitische Magmen steigen dagegen aus Magmakammern auf, die nur wenige Kilometer unter den großen Schicht- oder Stratovulkanen liegen. Sie sind weitaus zähflüssiger und gashaltiger. Das macht sie explosiv und damit erheblich gefährlicher. Ausbrechende Schichtvulkane schleudern Aschewolken kilometerhoch in den Himmel. Beim Zusammensturz solcher plinianischer Säulen – benannt nach Plinius dem Jüngeren, der den Ausbruch des Vesuvs beschrieb, bei dem Pompeji zerstört wurde und sein Onkel Plinius der Ältere ums Leben kam – entstehen dann oft Glutwolken, die sich als pyroklastische Ströme kilometerweit den Vulkanhang hinabwälzen.

Die Überwachung eines Vulkans, der sich von einer Magmakammer in fünf oder sieben Kilometer Tiefe speist, unterscheidet sich von der Observation eines ausgedehnten vulkanischen Gebiets, in dem sich die Eruption durch Spaltenbildung an einem beliebigen Punkt ereignen kann. Die dabei aufreißende Förderspalte schafft eine Verbindung vom Erdmantel in 50 bis 70 Kilometer Tiefe bis zur Oberfläche.

Zur Vulkanüberwachung durch Sensoren am Boden kommen satellitengestützte Observationsmethoden hinzu; sie erlauben, thermische Anomalien an der Oberfläche aufzuspüren und so den Aufstieg von Magma zu verfolgen. Der spanische Satellit Hispasat beispielsweise empfängt Meßdaten vulkanologischer Überwachungsstationen auf Lanzarote. Sie werden in Echtzeit an die vulkanologische Abteilung des Nationalmuseums für Naturkunde in Madrid weitergeleitet, das an das vulkanologische Forschungsnetz des spanischen Forschungsrates CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) angeschlossen ist.

Während seines Aufstiegs an die Oberfläche nutzt das Magma entweder vorhandene Erdspalten oder bildet neue. Die Spannungen, denen das Gestein
dabei ausgesetzt wird, und die Entgasungsprozesse in der aufsteigenden Gesteinsschmelze erzeugen eine für Eruptionsprozesse charakteristische seismische Aktivität. Dennoch sind die Seismogramme nicht immer leicht zu interpretieren, weil vulkanisch und seismisch aktive Zonen oft zusammenfallen – zum Beispiel rund um den Pazifik. Zudem können vulkanische Beben auch durch das Erkalten und Schrumpfen des Gesteins nach vorangegangenen Eruptionen verursacht werden – wie derzeit in den Montañas de Fuego auf Lanzarote.

Das Aufspüren vulkanischer Beben allein reicht daher nicht aus. Man muß außerdem die Bebentiefe und den Bebenherd kennen. Diese Daten lassen sich durch ein Seismographennetz ermitteln, das mit Drei-Komponenten-Breitband-Stationen ausgestattet ist. Diese werden in mehreren Ringen um den Vulkan installiert und während der Eruptionskrisis durch ein Netz von Beschleunigungsmessern ergänzt, die mit Federn statt Pendeln arbeiten und daher robuster sind und stärkere Schwingungen aushalten als Seismographen. In dem jüngst realisierten Projekt "Teide" ließ sich das Seismographennetz allerdings durch ein einziges hochentwickeltes Gerät ersetzen, das für sich allein in der Lage ist, Tiefe und Herd eines Bebens zu ermitteln.

Trotzdem wachsen mittlerweile Zweifel, ob Beben im Vorfeld von Vulkanausbrüchen wirklich für eine verläßliche Vorwarnung taugen. Oft entpuppen sich seismische Anomalien als Fehlalarm; andererseits kann es durchaus vorkommen, daß vor Vulkanausbrüchen gar keine Beben auftreten. Daher neigen die Fachleute heute dazu, sich bei der Vorhersage vulkanischer Eruptionen mehr auf Deformationen des Bodens zu stützen.

Es liegt auf der Hand, daß das aufsteigende Magma Spalten aufreißt und das Gelände aufwölbt, noch bevor es die Oberfläche erreicht. Diese Deformationen lassen sich wenige Stunden vor einer Eruption sogar mit bloßem Auge beobachten, setzen in kleinstem Maßstab jedoch schon ein, wenn das Magma seinen Aufstieg beginnt. Solche mikrometrischen Verformungen sind ein wichtiges Vorzeichen: Sie frühzeitig aufzuspüren, kann viele Menschenleben retten.

Zu ihrer Erfassung dienen geodätische Netze, Extensometer (Dehnungsmesser) und Neigungsmesser. Am Fuß des Vulkans eingeschlagene Latten bilden die Referenzpunkte des geodätischen Netzes, an denen in regelmäßigen Intervallen Höhen- und Distanzmessungen vorgenommen werden. Zum Erfassen von größeren Gebieten dienen satellitengestützte geodätische Meßverfahren. Extensometer und Neigungsmesser, die horizontale Deformationen und das Kippen von Gesteinen messen, müssen in extrem stabilen Stollen oder Schächten installiert werden. In gewässernahen Gebieten ergänzen Pegelmessungen die geodätische Überwachung.

Wenn die heißen Gesteinsschmelzen in die oberflächennahen Kammern oder höheren Erdschichten eindringen, treten auch lokale Verschiebungen im elektromagnetischen Erdfeld auf. Ebenso ändert sich das örtliche Schwerefeld, da das Magma, das die Magmakammern und Förderkanäle ausfüllt, weniger dicht ist als das Nebengestein. Jegliche an der Oberfläche gemessene Veränderung dieser Parameter ist im Prinzip ein zuverlässiger Vorbote für bevorstehende Eruptionen. Solche Anomalien lassen sich durch elektromagnetische und mikrogravimetrische Meßkampagnen ermitteln, die in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden müssen.

Zu den Komponenten des Magmas zählen auch in der Tiefe zunächst gelöste Gase, die bei Druckentlastung – ähnlich wie das Kohlendioxid beim Öffnen einer Sprudelflasche – als Blasen ausperlen. Diese Gasblasen verringern die Dichte der Schmelze und erleichtern so ihren hydrostatischen Aufstieg. Ein Teil kann sich auch vom Magma lösen und vorab die Oberfläche erreichen.

Für die Ausbruchsvorhersage ist der Nachweis derartiger Gase deshalb von grundlegender Bedeutung. Allerdings müssen sie nicht unbedingt von einer eruptierenden Magmamasse stammen: In vulkanischen Gebieten entweichen ständig Gase aus der Tiefe. Veränderungen in ihrem Volumen allein sind noch kein klares Anzeichen einer beginnenden Eruption. Wichtiger ist der Nachweis von Veränderungen in der Zusammensetzung des Gasgemischs – auch hinsichtlich der enthaltenen Isotope. Bei schwer zugänglichen Vulkanen mit
hohem Gasausstoß läßt sich die Konzentration bestimmter Gase anhand ihres Absorptionsspektrums im sichtbaren Licht ermitteln, das Instrumente aus der Ferne messen können. Obwohl diese Meßinstrumente (COSPEC nach englisch correlation spectrometer) stetig verbessert wurden, sind damit bisher allerdings nur schwefelige Gase mit Sicherheit feststellbar.

Die geochemische Überwachung vulkanischer Gebiete umfaßt daher auch die Beobachtung unterirdischer Gewässer und Quellen. Temperaturschwankungen und Veränderungen in der Zusammensetzung sind verräterische Signale; denn das Grundwasser wird oft von den Gasen kontaminiert, welche aus dem Magma entweichen und sich im Untergrund ausbreiten. Ist die Eruption bereits im Gange, hat die Bestimmung der Gase in jedem Fall Priorität. Wenn sie vom Wind verfrachtet werden oder sich in Erdmulden ansammeln, können sie selbst eine ernste Gefahr darstellen. Das beste Beispiel dafür war die Eruption des Nyos-Sees in Kamerun, bei der 1700 Menschen an dem ausgetretenen Kohlendioxid erstickten.

Im 20. Jahrhundert gab es die meisten Opfer von Vulkanausbrüchen in zwei kleineren Städten: in Saint Pierre auf Martinique und in Armero. In beiden Fällen kamen fast alle Bewohner ums Leben. Aber auch viele der großen Ballungszentren liegen in Gebieten mit hohem Risiko: Neapel, Rom, Managua, San Salvador, Guatemala Stadt, Quito, Pasto, Mexiko Stadt, Seattle, Petropawlowsk und viele andere Metropolen in Japan, Indonesien, Neuguinea, Neuseeland und auf den Philippinen. Trotzdem verfügt keines dieser Länder über Risikokarten mit ausgearbeiteten Prognosen und Überwachungsplänen, die in Geographische Informationssysteme (GIS) integriert wären. Auf den Kanarischen Inseln werden derzeit Strategien zur Risikominimierung unter Einsatz Geographischer Informationssysteme erarbeitet, aber es ist noch ein langer Weg zurückzulegen (siehe Kasten auf der gegenüberliegenden Seite).

Angesichts der jüngsten vulkanischen Aktivitäten des Popocatépetl (Bild auf Seite 72) wurde in Mexiko ein Notstandsgesetz verabschiedet. Es legt Zeitpunkt, Art und Umfang der Schutzmaßnahmen fest, die von Behörden, Hilfsorganisationen und der betroffenen Bevölkerung selbst im Ernstfall zu treffen sind. Diese gesetzliche Regelung und ihre Umsetzung als "Vulkanalarm-Ampel" soll der Aufklärung der Bevölkerung in Risikogebieten dienen. Außer dem Ampelsystem ("grün, gelb, rot"), das einfach und effektiv ist, gibt es andere Schemata, die den Notfall je nach Ernst der Lage durch verschiedene Alarmstufen (beispielsweise von 1 bis 3) und die vorangehenden Phasen als Normal- und Vorwarnstufe klassifizieren.

Bei Ausbrüchen des Ätna und auf Hawaii hat sich auch die Errichtung von Schutzbarrieren als wirkungsvoll erwiesen. Durch sie können Lavaströme und Schlammlawinen aufgehalten oder umgeleitet werden. In Gebieten mit häufiger Lahar-Bildung, wie beispielsweise in Japan, werden solche Schutzkonstruktionen ständig einsatzbereit gehalten – selbst wenn es keine Anzeichen für eine bevorstehende Eruption gibt.

Es gibt also viele erfolgversprechende Ansätze, Vulkankatastrophen wirksamer als bisher zu begegnen. Ihre umfassende Realisierung wird zweifellos noch einige Zeit in Anspruch nehmen, und trotz aller neuen Erkenntnisse und Vorwarnsysteme wird sich ein Element des Unberechenbaren auch bei Vulkanausbrüchen wohl nie ganz ausschalten lassen. Dennoch bestehen gute Aussichten, daß das angebrochene Jahrhundert einen geringeren Blutzoll an Vulkanopfern fordern dürfte als das zu Ende gegangene.

Literaturhinweise

Monitoring and Mitigation of Volcano Hazards. Von Roberto Scarpa und Robert I. Tiling. Springer-Verlag, Heidelberg 1997.

Erdbeben und Vulkane. Entstehung, Formen, Prognose. Von Rolf Schick. C. H. Beck, Stuttgart 1997.

Mount Pinatubo. Management einer andauernden Katastrophe. Von Matthias Müth. Deutsches IDNDR-Komitee für Katastrophenvorbeugung, 1998. Isotopic and Geochemical Precursers of Earthquakes and Volcanic Eruptions. Technical Document Nr. 726 der Internationalen Atomenergiebehörde, Wien 1993. Volcans sous Surveillance. Von Jacques Dubois und Jean-Louis Cheminee in: La Recherche, Bd. 20, S. 22, August 1989.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2000, Seite 68
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