Bisher ignoriert: Gefährlichkeit von Vulkanasche für Mensch und Natur

Vulkanasche ist kein gewöhnlicher Staub: Sie wird in die Atmosphäre geschleudert, steigt in die Stratosphäre auf, beeinflusst Wetter und Klima und verstopft Düsentriebwerke.

Um Wissenslücken zwischen Geologen und Atmosphärenforschern zu schließen, haben US-amerikanische Forscher Ascheproben aus Vulkanausbrüchen auf ihre Zusammensetzung hin untersucht. Auf diese Weise wollen Wissenschaftler erfahren, welche Rolle die Mikro- und Nanometer großen Partikel für die Atmosphäre spielen.

„Große Vulkanausbrüche können messbare Auswirkungen auf das Klima haben, die Jahre oder sogar Jahrzehnte andauern“, erklärt Adrian Hornby, Atmosphärenwissenschaftler der Universität Cornell. „Die Ausbreitung und der Transport von feiner Vulkanasche und ihre Wechselwirkung mit der Erde berühren verschiedene Disziplinen – von der Atmosphärenwissenschaft bis hin zu Umweltstudien und sogar der öffentlichen Gesundheit.“

Weltweite Auswirkung

Derartige Erkenntnisse seien enorm wichtig, um künftig gut auf Vulkanausbrüche und ihre möglichen Umwelt- und Gesundheitsfolgen vorbereitet zu sein. „Unsere Studie liefert die ersten stichhaltigen Informationen zur besseren Eingrenzung der Mineral- und Glaszusammensetzung sowie der Dichte von Vulkanasche. Dies benötigen Atmosphärenwissenschaftler, um den Aschetransport und seine Auswirkungen auf das Erdsystem besser zu verstehen“, so Gazel.

Dabei gehe es nicht nur um lokale Sicherheitsmaßnahmen bei Vulkanausbrüchen, sondern auch um globale. „Atmosphärische Asche kann weite Strecken zurücklegen und das Klima und die Ökosysteme beeinflussen – sogar auf anderen Kontinenten, weit weg vom ausgebrochenen Vulkan“, so die Forscher. So beeinflusste unter anderem ein Vulkanausbruch auf Alaska im Jahr 43 v. Chr. den Aufstieg des Römischen Reiches.

Auch fast 2.000 Jahre später werden Wirkung und Risiken nicht vollständig verstanden, denn Vulkanasche ist nicht gleich Vulkanasche. Weltumspannende Einflüsse hatten indes auch die jüngeren Eruptionen etwa des Eyjafjallajökull auf Island, der 2010 weit über Europa hinaus den Flugverkehr behinderte, und des Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, der in diesem Jahr – eineinhalb Jahre nach seinem Ausbruch – für einen verhältnismäßig warmen Sommer sorgte.

„Atmosphärenwissenschaftler haben die Auswirkungen der Asche auf das Klima und die Biogeochemie bisher ignoriert“, sagt Natalie Mahowald, Mitautorin der Studie. „Mit dieser Forschung haben wir endlich die Daten, um die Auswirkungen abzuschätzen.“

Universeller Fingerabdruck von Vulkanasche

Die Unterschiede der Aschen liegen in den Standorten der Vulkane und den tektonischen Situationen vor Ort begründet. So können Vulkane innerhalb einer tektonischen Platte durch heiße, aus dem Erdmantel aufsteigende Magmablasen (sogenannte Plumes) entstehen. Diese „Hotspots“ sind sowohl zu Land – wie beim Ätna auf Sizilien – als auch unter Wasser – wie auf Hawaii – möglich.

Der zweite Ort, an dem sich Vulkane weltweit bilden können, sind Subduktionszonen, wo zwei tektonische Platten aufeinanderprallen und die Möglichkeit zum Aufsteigen von Magma bieten. Beide Entstehungsvarianten zeigen eine unterschiedliche, fingerabdruckähnliche Zusammensetzung, die wiederum den Planeten unterschiedlich beeinflussen.

Die Bildung von Vulkanen ist eng mit der Plattentektonik verbunden. Foto: iStock/kms/Epoch Times

Die Asche von Vulkanen ist ein komplexes Material, das durch die Fragmentierung von Magma entsteht und bei explosiven Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre geschleudert wird, so Hornby.

„Die Asche enthält Partikel von Mineralien, Glas und anderem. Allerdings sind die erwartete Zusammensetzung und die Eigenschaften schlecht definiert“, so Hornby. „Dies gilt insbesondere für feine vulkanische Asche, die in der Atmosphäre weit transportiert wird und eine Reihe von Auswirkungen auf die Erde und das menschliche Leben hat.“

Übersicht der Zusammensetzung aller untersuchten Vulkanaschen. (Zum Vergrößern klicken, öffnet in neuem Tab) Foto: Hornby et al. 2023 (CC BY 4.0 Deed), Übersetzung kms/Epoch Times

Asche reagiert in der Lunge

Weil nur wenig über die genaue Zusammensetzung der Aschen bekannt ist, sammelten die Forscher um Hornby Proben von über 20 Vulkanen und 40 Ausbrüchen. Diese unterscheiden sich durch ihre Größe und ihrem tektonischen Hintergrund.

Das Hauptaugenmerk lag vorwiegend auf Vulkanasche mit einer Korngröße von weniger als 45 Mikrometern, da besonders diese dank atmosphärischer Winde weit verbreitet werden und mitunter die größten Auswirkungen haben können.

Die Forscher fanden heraus, dass die Zusammensetzung der Vulkanasche je nach Korngröße, Ursprung und chemischer Zusammensetzung erheblich variiert. Mit zunehmender Korngröße stiegen die Anteile an Salzen und kristallinem Siliziumdioxid (Quarzsand), während die Bestandteile Glas und Eisenoxid abnahmen. Insbesondere Siliziumdioxid kann für den Menschen gefährlich werden, da dieses beim Einatmen Gesundheitsschäden und Lungenkrebs verursachen könnte.

„Bei feinkörnigerer Asche konnten wir einen signifikanten Anstieg des Salzgehalts feststellen. Das ist wichtig, da das Salz das erste ist, was sich auflöst, wenn die feine Asche den Ozean erreicht. Man sollte es nicht einatmen, da es mit der Lunge reagiert“, so Studienautor Esteban Gazel, Professor für Erd- und Atmosphärenforschung.

Lage der Vulkane, deren Asche in der aktuellen Studie untersucht wurde. Foto: iStock/kms/Epoch Times

Vulkane im Vergleich

Mit den gesammelten Proben bildeten die Forscher das komplette Spektrum ab: von älteren und jüngeren Aschen, sowie teils schwache und teils starke Vulkanausbrüche der ganzen Welt. Unter anderem wurden die Eruptionen des Pinatubo auf den Philippinen (1991), des Mount St. Helens in Washington (1980), des Ätna in Italien (122 v. Chr. und 2017) und des Tajogait auf La Palma/Spanien (2021) untersucht.

Ein starker Gegensatz zeigte sich beispielsweise in den Vulkanaschen von Pinatubo und Tajogait. Während die des Pinatubo mit viel Feldspat und Amphibol auf einen langen Schmelzvorgang hinweist, enthielt die Asche von La Palma vermehrt das Mineral Olivin, welches auf einen einfachen Schmelzvorgang hinweist.

Außerdem zeigen die zahlreichen Ascheproben des Tajogait, dass der durchschnittliche Glasanteil im Laufe eines Monats von 50 Prozent auf 25 Prozent sank, während der Anteil eisenhaltiger Mineralien von 35 Prozent auf 50 Prozent anstieg.

Ähnliche Unterschiede zeigten sich in der Asche des Ausbruchs des Kilauea auf Hawaii 2028: Während die obersten Ascheschichten – bis ein Zentimeter Tiefe – überwiegend Feldspat enthielt, sank dieser Anteil mit zunehmender Tiefe. Andererseits verfünffachte sich der Salzgehalt.

Innerhalb eines Ausbruchs kann die Zusammensetzung der Asche stark variieren, wie Untersuchungen von Tajogait (La Palma, Spanien) und Kilauea (Hawaii) zeigen. Foto: Hornby et al. 2023 (CC BY 4.0 Deed), Übersetzung kms/Epoch Times

Die Studie erschien am 21. September 2023 in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“.