Vulkane und Erdbeben

Vulkane und Erdbeben zählen zu den größten Naturkatastrophen und machen uns nachdrücklich deutlich, dass im Inneren der Erde gewaltige Kräfte und Energien wirksam sind. Im Mai 2008 ereignete sich in der südchinesischen Provinz Sichuan ein Erdbeben der Stärke 7,9; das bis Peking, Shanghai, Hanoi und Bangkok spürbar war. Nach offiziellen Schätzungen starben 87.000 Menschen bei diesem Erdbeben, mehr als 400.000 wurden verletzt. Mehr als 5 Millionen Gebäude wurden beschädigt.

Vulkanausbrüche, Erdbeben und die meist durch Erdbeben ausgelösten Tsunamis ereignen sich nicht zufällig irgendwo auf der Erde, vielmehr häufen sich diese Ereignisse dort, wo die Platten der Erdkruste auseinanderstreben, aufeinanderstoßen oder aneinander vorbeischrammen.

Zum Verständnis von Erdbeben und Vulkanausbrüchen muss man einige geowissenschaftliche Fakten kennen. Deshalb beginnen wir zunächst mit dem Aufbau der Erde. Diesen leitet man hauptsächlich aus seismischen Messungen ab, also aus der Analyse von Erdbebenwellen. Die tiefste Bohrung, die je durchgeführt wurde, fand auf der Halbinsel Kola statt und führte bis in eine Tiefe von 12 km, was angesichts des Erddurchmessers nur ein Anritzen der Oberfläche darstellt.

Die Erde hat nahezu die Form einer Kugel, mit einem Erdradius von 6357 bis 6378 km. Der innere Kern der Erde erstreckt sich zwischen 5100 km und 6371 km unter der Erdoberfläche. Er besteht vermutlich aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung; die Temperatur dürfte zwischen 4000 und 5000 Grad Celsius liegen. Der äußere Kern liegt in einer Tiefe zwischen rund 2900 km und 5100 km. Er ist flüssig und besteht aus einer Nickel-Eisen-Schmelze. Zwischen 2900 km und 660 km liegt der untere Mantel, in dem eine Temperatur von rund 2000 Grad herrscht. Die Grenzschicht zwischen äußerem Kern und unterem Mantel wird als Ursprungsort heißen Magmas angesehen. Der obere Mantel beginnt in 410 km Tiefe und erstreckt sich herauf bis zur Erdkruste. Der Erdmantel macht rund 2/3 der Erdmasse aus.

Zum oberen Erdmantel gehört auch eine Schicht, die man als Asthenosphäre bezeichnet. Sie ist sozusagen das Bindeglied zwischen Erdmantel und Erdkruste. Diese Schicht besteht aus teilweise aufgeschmolzenem Gesteinsmaterial; sie hat deshalb zähfließende Eigenschaften – so ähnlich wie Honig. Auf dieser Schicht schwimmen die Platten der Erdkruste.
Die Erdkruste bildet die äußerste Schicht der Erde – das ist der Boden, auf dem wir stehen. Es gibt die ozeanische Kruste, also den Meeresboden mit einer Mächtigkeit von 5-10 km. Sehr viel dicker ist die kontinentale Kruste, aus der die Kontinente bestehen. Sie ist zwischen 30 und 60 km dick.

Plattentektonik

Wir haben vorhin bereits gehört, dass die Erdkruste aus verschiedenen Platten besteht. Man kennt heute 7 große Platten, nämlich die pazifische, antarktische, nordamerikanische, südamerikanische, afrikanische, eurasische sowie die australische Platte. Daneben gibt es noch eine ganze Reihe kleinerer Platten wie z.B. die indische, philippinische, arabische und karibische Platte.

Es ist noch gar nicht so lange bekannt und bewiesen, dass die Erdkruste aus beweglichen Platten besteht. Der deutsche Meteorologe und Geophysiker Alfred Wegener war gewiss nicht der erste, dem die bemerkenswerte Übereinstimmung der Küstenlinien beidseits des Atlantik aufgefallen war. Er veröffentlichte 1915 ein Buch mit dem Titel „Die Entstehung der Kontinente und Ozeane“, in dem er die Hypothese aufstellte, dass die derzeitigen Kontinente vor etwa 250 Mio. Jahren noch eng zusammengerückt waren und einen Riesenkontinent bildeten. Nach dem Auseinderbrechen dieses Riesenkontinents sind die verschiedenen Bruchstücke über die Erdoberfläche gewandert und bilden heute die bekannten Kontinente.
Nach der Publikation Wegeners dauerte es immerhin rund 50 Jahre, bis durch Beobachtungen und Messungen bewiesen war, dass die anscheinend starre Erdkruste ein erdumspannendes Mosaik verschiedener Platten ist, die sich bewegen, zusammenstoßen, sich verformen und auch verhaken. Man konnte exakt messen, dass sich Nordamerika und Europa in jedem Jahrzehnt um 9 cm voneinander entfernen. Ein Zeichen für die aktive Kontinentverschiebung sind Gebirge. Der Himalaya markiert eine solche Knautschzone, in der die indoaustralische Platte jedes Jahr um 7 cm unter der eurasischen Platte verschwindet. Dadurch wächst der Himalaya jährlich um 5 mm.

Es konnte auch nachgewiesen werden, dass sich im Bereich der mittelozeanischen Rücken ständig neuer Meeresboden bildet, durch Transport von Magma aus dem Erdmantel in die Erdkruste. Es entsteht sozusagen streifenweise neuer Meeresboden, der sich immer weiter von seinem Ursprungsort entfernt. Wenn neuer Boden entsteht, muss auch alter abgebaut werden, sonst würde die Erde ja immer größer werden, was aber nicht der Fall ist. Alte ozeanische Kruste kann sich sowohl unter kontinentale Kruste schieben als auch unter Teile der ozeanischen Kruste. Das Ganze nennt man Subduktionszonen, und dort geht es ausgesprochen turbulent zu. Solche Subduktionszonen werden häufig durch Erdbeben erschüttert und sind Schauplatz zahlreicher Vulkanausbrüche. Wenn zwei Platten aneinander vorbeischrammen, kann es zu beträchtlichen Spannungen kommen (Beispiel: San-Andreas-Störung in Kalifornien). Diese Transformationsstörungen wirken sich auf den Kontinenten viel stärker aus als im Meer, weil die kontinentale Kruste, wie bereits erwähnt, sehr viel dicker ist als die ozeanische Kruste.

Vulkane

Weltweit gibt es rund 1350 Vulkane, die als aktiv gelten, was aber nicht heißt, dass alle regelmäßig oder über einen langen Zeitraum hinweg tätig sein müssen, wie z.B. der Vulkan Kilauea auf Hawaii, in dessen Gebiet praktisch ständig Lavafluss zu beobachten ist. Die geographische Verteilung der Vulkane ist kein Zufall. Ihre Präsenz markiert die Schwächezonen der Erdkruste; folglich häufen sie sich an den mittelozeanischen Rücken, wo die Platten auseinanderstreben, und an den Subduktionszonen, wo die Platten aufeinanderstoßen. Rund um den Pazifik gibt es sehr viele aktive Vulkane, man denke nur an die Vulkane auf den Philippinen, in Japan, Russland, Alaska, USA, Guatemala, Mexiko, Kolumbien, Argentinien bis hinab nach Chile. Das Ganze nennt man den pazifischen Feuerring („Ring of Fire“).

Eine dritte Form des Vulkanismus ist der sogenannte Intraplattenvulkanismus. Als „Hotspots“ oder „Heiße Flecken“ werden Zentren vulkanischer Aktivität bezeichnet, die nicht direkt durch plattentektonische Prozesse verursacht werden. Sie verdanken ihre Existenz pilzartig aufsteigenden Magmaströmen aus dem Erdmantel. Die Hawaiivulkane sind ein Beispiel für diese Art des Vulkanismus.

Treibende Kräfte bei jedem Vulkanausbruch sind Gase jeder Art. Tief im Erdinneren, wo ein hoher Umgebungsdruck herrscht, sind sie im Magma gelöst. Steigt das Magma auf, vermindert sich der Umgebungsdruck, wodurch das Volumen der Gase stark zunimmt. Wenn z.B. ein verstopfter Vulkanschlot das Entweichen der Gase verhindert, stauen sie sich im Erdinneren so lange an, bis der Druck schließlich so groß wird, dass der Pfropfen im Vulkanschlot in einer gewaltigen Explosion gesprengt wird und mit ihm oft der gesamte obere Teil eines Vulkangipfels. Jeder Vulkanausbruch ist mit dem mehr oder weniger starken Ausstoß gasförmiger, flüssiger und vor allem auch fester Förderprodukte verbunden. Dabei bilden fein zertrümmerte Gesteinspartikel, die kilometerhoch in die Luft geschleudert werden und als Ascheregen niedergehen, eine besondere Gefahr. Besonders heimtückisch sind jene Vulkanausbrüche, bei denen sich feine Gesteinstrümmer mit heißen Gasen zu einem pyroklastischen Strom vermengen, der mit rasender Geschwindigkeit und in Bodennähe die Vulkanflanke hinunterfegt. Diese Glutlawine zerstört alles, was ihr in den Weg kommt.

Die von Vulkanausbrüchen ausgehende Gefahr wird nicht allein durch die Explosivität bestimmt – natürlich ist auch entscheidend, wie hoch die Besiedelungsdichte und die Nutzung im Umfeld des Vulkans sind. So hat z.B. im November 1985 ein an sich geringfügiger Ausbruch des Nevado del Ruiz in Kolumbien zu 25.000 Todesopfern geführt, weil eine Reihe von Schlammströmen freigesetzt wurde. Ein Maß für die Stärke eines Vulkanausbruchs sind die Lockermaterialmengen, die explosiv ausgeworfen werden. Beim Ausbruch des St. Helens im Frühjahr 1980 flogen immerhin knapp ein Kubikkilometer Trümmer und vulkanische Aschen in den Himmel. Dies ist aber höchst bescheiden gegenüber den 160 Kubikkilometern, die im Jahr 1815 beim Ausbruch des Tambora ausgestoßen wurden. Das Jahr 1816 ist als das Jahr ohne Sommer in die Annalen der Geschichte eingegangen – mit Schnee im Juli und Frost im August, weil der Ausbruch des Tambora weltweit eine erhebliche abkühlende Wirkung hatte.

Die Zeit für diese Sendung ist zu kurz, um jetzt Details über Lava, Magma oder verschiedene Vulkantypen vorzustellen. Wir wollen uns deshalb noch mit zwei Aspekten des Vulkanismus beschäftigen, nämlich den Supervulkanen und den Vulkanen in Deutschland.

Supervulkane sind die machtvollste Naturgewalt der Erde. Man kennt vier Regionen auf der Erde, wo in den letzten zwei Millionen Jahren bei einer Eruption mindestens 750 Kubikkilometer Gesteinsmaterial ausgeworfen wurden: Yellowstone (Wyoming, USA), Long Valley (Kalifornien, USA), Toba (Sumatra, Indonesien) und Taupo (Neuseeland).

Absolut gigantisch war ein Vulkanausbruch, der vor ca. 75.000 Jahren auf Sumatra stattgefunden hat. Der wohl für den Menschen mächtigste Supervulkan ist der Yellowstone - sein nächster Ausbruch ist nach Auffassung von Geologen längst überfällig. Der Yellowstone-Vulkan hat eine Magmakammer, die 60 km lang, 40 km breit und 10 km hoch ist. Sie fasst ca. 24.000 Kubikkilometer Magma. Bei einem Ausbruch dieses Vulkans würde der gesamte Westen der USA von einer knöcheltiefen Ascheschicht bedeckt. Die Ernten und die Infrastruktur würden vernichtet. Man geht davon aus, dass die Durchschnittstemperaturen auf der Erde um vier bis zehn Grad fallen würden. In einem Umkreis von 200 Kilometern um den Vulkan würde kaum noch Sonnenlicht zur Erdoberfläche durchdringen. Selbst in 300 km Entfernung könnte noch ein halber Meter Asche fallen.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit für einen Ausbruch eines Supervulkans derzeit gering eingeschätzt wird, drängt die Geological Society of London, die Gefahr nicht zu unterschätzen. Im Bereich des Yellowstone-Nationalparks hat sich innerhalb der letzten drei bis vier Jahre der Boden um ca. 20 cm angehoben. Aber auch in Europa gibt es einen Supervulkan.

Focus Online stellte am 24.08.06 die Frage: „Räkelt sich der Supervulkan?“ Die Daten des Erdbeobachtungssatelliten „Envisat“ der europäischen Raumfahrtagentur hatten gezeigt, dass sich der Boden der Vulkanregion um Neapel um 2,8 cm hob. Diese Region nennt man die Phlegräischen Felder, die westlich von Neapel beginnen und sich entlang der Küste des Golfs von Neapel fortsetzen. Der letzte Ausbruch dieses Vulkans ist datiert auf 1538. Momentan gibt es, wie gesagt, Hinweise auf eine neue Aktivität des Vulkans. Vor etwa 39.000 Jahren soll dieser Supervulkan zwischen 200 und 500 Kubikkilometer Magma ausgeworfen haben. Die Asche flog im Osten bis zum Ural und im Norden über die Alpen. Halb Europa und der Mittelmeerraum bis nach Syrien waren von einer mehrere Zentimeter dicken Schicht Vulkanasche bedeckt.

Vulkane in Deutschland

Auch in Deutschland gab es bis vor kurzem (d.h. bis vor 12.000 Jahren) einen aktiven Vulkanismus in der Eifel. Der berühmteste Vulkan der Eifel ist der Laacher Seevulkan, der auch gewaltige Mengen an vulkanischem Material ausgeworfen hat, zum Teil bis nach Südschweden. Der letzte Vulkanausbruch in der Eifel hat vor etwa 11.000 Jahren stattgefunden. Vulkanologen sind sich darin einig, dass die Eifelvulkane derzeit zwar ruhen, aber noch lebendig sind. Aus geophysikalischen Untersuchungen weiß man, dass die Temperaturen in der Tiefe erhöht sind, und man kann auch nach wie vor aus dem Erdboden entweichendes CO2 beobachten. Als wissenschaftlich seriös gilt, dass sehr wahrscheinlich auch in Zukunft weitere Vulkane in der Eifel ausbrechen werden. Zur Zeit gibt es aber keinerlei Anzeichen für eine unmittelbar bevorstehende Vulkaneruption.

Die Eifelvulkane sind dadurch entstanden, dass im Erduntergrund ein Riss durch Europa geht, eine sogenannte Riftzone, zu der auch das Rheingrabensystem gehört. Letzteres ist wiederum dadurch entstanden, dass die afrikanische Platte mit der eurasischen Platte kollidiert.

Erdbeben

Als Einstieg zum Thema Erdbeben wollen wir zunächst einen Zeitzeugen zitieren, nämlich Voltaire, der das 1755 aufgetretene Erdbeben in Lissabon wie folgt beschrieben hat: „Gischtend und schäumend schwoll das Meer im Hafen an, und die Schiffe, die vor Anker lagen, zerschellten. Flammen- und Aschenwirbel erfüllten die Straßen und Plätze; die Häuser stürzten ein, die Dächer brachen auf die Grundmauern nieder, und die Fundamente barsten. Dreißigtausend Einwohner jeden Alters und beiderlei Geschlechtes wurden unter den Trümmern begraben und zermalmt.“ (aus „Candide“)

Jährlich ereignen sich etwa 1 Mio. Erdbeben. Die allermeisten werden nur von hochempfindlichen Messgeräten registriert, doch ca. 100.000 Ereignisse sind so stark, dass sie zumindest in Herdnähe spürbare Erschütterungen auslösen. Erdbeben stehen in 90 Prozent aller Fälle in unmittelbarem Zusammenhang mit tektonischen Vorgängen der Erdkruste. Wie wir schon gehört haben, setzt sich die Erdkruste wie ein Flickenteppich aus zahlreichen Stücken zusammen. Diese größeren und kleineren Platten sind in ständiger Bewegung. Wenn Platten sich übereinanderschieben, entstehen große Spannungen, die sich irgendwann plötzlich lösen und ein Beben hervorrufen, wie z.B. 1985 in Mexiko-Stadt (10.000 Tote). Horizontale Verschiebungen beobachtet man am St.-Andreas-Graben, der an der Grenze zwischen der nordamerikanischen und der pazifischen Platte verläuft. Entlang der nordanatolischen Verwerfung, also von Istanbul entlang des Schwarzen Meeres, hat es seit dem Jahr 1939 nicht weniger als 13 schwere Erdbeben gegeben.

Was passiert bei Erdbeben?

Vom Erdbebenherd aus bewegen sich konzentrische Schwingungen über die gesamte Erde, man nennt sie Erdbebenwellen oder seismische Wellen. Das wichtigste Gerät zur Erdbebenmessung und -erforschung ist deshalb der Seismograph. Nach jedem Erdbeben interessiert eine Frage, sowohl die Fachleute als auch die Medien, gleichermaßen: Wie stark waren die Erschütterungen? Recht bekannt ist die Richterskala, die 1935 von dem Geophysiker Charles Francis Richter entwickelt wurde. Allerdings ist die Richterskala nur für Erdbeben im Nahbereich anwendbar. Die Richterskala ist logarithmisch aufgebaut, was häufig zu Missverständnissen führt. Bei einem Erdbeben der Stärke 6 wird 32 mal mehr Energie freigesetzt als bei einem Erdbeben der Stärke 5. Das stärkste Erdbeben seit 1900 fand in Chile statt (1960) mit einer Stärke von 9,5, dann folgt ein Erdbeben in Alaska (1964) mit 9,2, und dann schon das Seebeben von Sumatra vom 26.12.2004, das bekanntlich den gewaltigen Tsunami im Indischen Ozean ausgelöst hat. Dieses Beben hatte eine Stärke von 9,1.

Ein Erdbeben wirkt sich natürlich umso schlimmer aus, je dichter das betroffene Gebiet besiedelt ist und je schlechter die Bausubstanz der Häuser ist. Auch in Mitteleuropa können durchaus starke Erdbeben auftreten, z.B. wurde die Stadt Basel im Jahr 1356 nahezu vollständig zerstört; das Beben hatte etwa die Stärke 7. Am 06.05.2009 hat ein Erdbeben der Stärke 4,5 auf der Richterskala weite Teile Baden-Württembergs erschüttert. In Deutschland gibt es vier Regionen, in denen Erdbeben auftreten: Das Oberrheintal, die Schwäbische Alb, die Niederrheinische Bucht und das Vogtland. Entlang des Rheintalgrabens bricht Europa auseinander, die Mitte des Grabens senkt sich jährlich um einen Millimeter, der Rand hebt sich. Die Spannungen, die hier in der Erdkruste entstehen, führen zu Beben.