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Eine bahnbrechende Studie über Stromboli legt den Grundstein für eine vielversprechende Technik zur Überwachung von Eruptionen anhand ihrer Geräusche.

Im Chaos der ersten Momente eines Vulkanausbruchs verbirgt sich ein flüchtiger Ring aus Rauch und Asche, der Wissenschaftlern wichtige Hinweise auf die Gefährlichkeit eines Ausbruchs geben kann. Eine neue Studie erfasst diese toroidalen Wirbel. „Wirbelringe“, vulkanischen Ursprungs und deren Geräusche auf Hochgeschwindigkeitsvideos, was eine neue Möglichkeit zur Überwachung von Eruptionen nur mithilfe von Geräuschen nahelegt.
Vulkanische Wirbelringe sind ringförmige Wirbel, die sich in den ersten Sekunden des Ereignisses um die Spitze einer Eruptionswolke bilden, ähnlich den Wirbeln, die sich hinter einem Ruder bilden, das durch Wasser geschoben wird. Größe, Geschwindigkeit und Eigenschaften dieser Wirbel sind nützliche Faktoren für die Einschätzung der Gefährlichkeit des Ausbruchs, wie etwa seine Intensität oder die Tiefe der Quelle, aus der er stammt.
Die Ringe sind jedoch nur für kurze Zeit sichtbar und können bei kleinen Eruptionen schwer zu messen sein. Bei größeren Eruptionen können sich deutlichere Wirbel bilden, doch können Wissenschaftler nicht immer nahe genug herankommen, um die notwendigen Beobachtungen durchzuführen. Außerdem sind die Ringe möglicherweise nicht sichtbar, wenn der Ausbruch nachts stattfindet oder der Vulkan in Asche oder Wolken gehüllt ist.
Eine neue Studie eines Teams von Vulkanologen und Physikern, die auf Fluiddynamik spezialisiert sind, mit dem Titel „Vulkanische Wirbelringe: Axialdynamik, akustische Eigenschaften und ihre Verbindung zum Öffnungsdurchmesser und zum Überschallstrahlfluss“, ermöglichte es uns, Hochgeschwindigkeitsvideos mit Audioaufnahmen zu kombinieren, die sich auf die ersten Sekunden der Eruptionen des Stromboli konzentrierten, um den vulkanischen Wirbelringen zu „lauschen“.
Die Studie, die in ihrem audiovisuellen Ansatz einzigartig ist und als erste das Klingelgeräusch isoliert, wurde in der Zeitschrift AGU Geophysical Research Letters veröffentlicht, die wirkungsvolle Kurzstudien mit unmittelbaren Auswirkungen auf die Erd- und Weltraumwissenschaften veröffentlicht.
„Vulkanische Wirbel erzeugen ein charakteristisches Geräusch, das tief und gleichmäßig ist. Das Schöne an Wirbelringen ist, dass sie stabil sind, d. h. sie geben ein konstantes Geräusch ab, das sich mit der Zeit ausbreitet.“, erklärt Jacopo Taddeucci, Vulkanologe am Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) und Erstautor der Studie.
Mit diesem neuen Verständnis der Verbindung zwischen der „Melodie“ eines Vulkans und seinem Ausbruch können Vulkanologen ihr Wissen über verschiedene vulkanische Prozesse und Geräusche erweitern und so die Überwachung in Fällen verbessern, in denen visuelle oder andere Techniken nicht zur Verfügung stehen.
„Selbst wenn wir den Ausbruch nicht sehen, weil beispielsweise der Himmel bewölkt ist oder wir keine feste Kamera auf dem Vulkan haben, können wir mit dieser neuen Technik allein durch die Analyse des Geräuschs erkennen, was passiert.“, fährt Taddeucci fort. „Ich hoffe, dass wir durch ein besseres Verständnis der Eruptionsgeräusche bald in der Lage sein werden, die Veränderungen während eines laufenden Ausbruchs allein anhand des Lärms zu überwachen. Dies ist eines der zukünftigen Ziele unserer Forschung.“.
Charakteristische Geräusche
Um das Geräusch der Vulkanwirbel zu erfassen, installierten Taddeucci und seine Kollegen Hochgeschwindigkeitskameras und professionelle Mikrofone mehrere hundert Meter von den Eruptionsquellen des Stromboli entfernt. Sie nutzten außerdem eine Drohne, um den Vulkan zu filmen, während er Eruptionsstrahlen ausstieß – Säulen aus heißem Gas, Asche und Rauch, die auf dem Äolischen Vulkan Höhen von 100 bis 300 Metern erreichen. So konnte das Forschungsteam Parameter wie die Größe der Eruptionsquelle messen.
Obwohl die Wissenschaftler die Ringe, die sie erfassen wollten, mit bloßem Auge nicht erkennen konnten, wurden sie bei der Analyse von Hochgeschwindigkeitsvideos sichtbar. Nachdem sie Größe und Geschwindigkeit der Ringe gemessen und Video und Ton präzise synchronisiert hatten, konnten die Forscher das tiefe, stetige Rumpeln der Wirbel isolieren.
Da die Wirbelgeräusche unverwechselbar und konsistent waren, konnte das Team ihre Frequenz mit anderen Merkmalen korrelieren. Insbesondere wurde ein klarer Zusammenhang zwischen der Bewegung des Wirbels, seinem Geräusch und der Größe des Schlots festgestellt. Andere Veränderungen in der „Melodie“ eines Vulkans, einschließlich seines Eruptionsstrahls, könnten mit der inneren Struktur des Schlots zusammenhängen.
„Wirbelringe reagieren sehr empfindlich auf die Parameter, mit denen sie erzeugt werden“, erklärt Juan José Pena Fernández, Strömungsmechanikforscher und Co-Autor der Studie. „Wenn wir die von einem Wirbelring erzeugte Akustik aufzeichnen, können wir die Bedingungen, unter denen er entstanden ist, ziemlich genau bestimmen. Wenn es also eine Veränderung im Verhalten des Vulkans gäbe, könnten wir diese möglicherweise feststellen.“.
Kombination von Audio mit Hochgeschwindigkeitsbildern „Es macht absolut Sinn“, sagt Amanda Clarke, Vulkanologin an der University of Arizona, die nicht an der Studie beteiligt war. „Ich fand es sehr kreativ und intelligent. Es ist nicht einfach, solche Messungen gleichzeitig im Feld durchzuführen.“, fährt Clark fort. „Bei explosiven Eruptionen können Vulkanwirbel tatsächlich etwas über die Bedingungen an der Quelle und damit über den Vulkan selbst aussagen. Allerdings ist es nicht einfach, diese Informationen aus Messungen zu extrapolieren, die nicht leicht zu beobachten sind.“.

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Wissenschaftler können Vulkanrauchringe abhören, um Ausbrüche im Dunkeln zu überwachen

Neue Forschungsergebnisse legen den Grundstein für eine vielversprechende neue Technik zur reinen Audio-Verfolgung von Eruptionen

Im Chaos der ersten Momente eines Vulkanausbruchs verbirgt sich ein flüchtiger Ring aus Rauch und Asche, der Wissenschaftlern wichtige Hinweise auf die Gefährlichkeit eines Ausbruchs geben kann. Eine neue Studie zeichnet diese vulkanischen Wirbelringe und ihre Geräusche auf Hochgeschwindigkeitsvideos auf und eröffnet damit möglicherweise eine neue Möglichkeit, Vulkane nur mithilfe von Schall zu vermessen.
Vulkanische Wirbelringe sind Kringel in der Eruptionsfahne, die sich in den ersten Sekunden eines Ausbruchs bilden, ähnlich den wirbelnden Wellen im Wasser, wenn man ein Ruder hindurchzieht. Größe, Geschwindigkeit und Zusammensetzung dieser Kringel liefern nützliche Informationen zur Einschätzung der Gefährlichkeit des Ausbruchs, beispielsweise wie intensiv der Ausbruch ist oder wie tief im Schlot der Ausbruch begann.
Die Ringe sind jedoch kurzlebig und bei kleinen Eruptionen schwer zu messen. Größere Eruptionen können sichtbare Wirbel bilden, doch können Wissenschaftler nicht immer nahe genug herankommen, um die notwendigen Beobachtungen durchzuführen. Bei Dunkelheit oder wenn der Berg in Rauch gehüllt ist, sind die Ringe möglicherweise nicht sichtbar.
Für die neue Studie kombinierte ein Team von Vulkanologen und Jetstream-Physikern Hochgeschwindigkeitsvideo mit Audioaufnahmen der ersten Sekunden der Eruptionen des italienischen Vulkans Stromboli, um die Wirbelringe zu lauschen. Die Studie ist in ihrem audiovisuellen Ansatz einzigartig und isoliert erstmals den Klang eines vulkanischen Wirbelrings.
Ihre Arbeit wurde in der AGU-Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht, die wirkungsvolle Kurzberichte mit unmittelbaren Auswirkungen in allen Erd- und Weltraumwissenschaften veröffentlicht.
„Der Wirbel selbst erzeugt ein charakteristisches Geräusch, das tief und konstant ist. Das Schöne an den Wirbelringen ist, dass sie stabil sind, d. h. sie erzeugen ein konstantes Geräusch, das sich mit der Zeit ausbreitet.“, sagte Jacopo Taddeucci, Vulkanologe am italienischen Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie und Hauptautor der neuen Studie.
Mit neuen Erkenntnissen über die Verbindung zwischen der Melodie eines Vulkans und seinem Ausbruch können Vulkanologen sich weiterhin auf verschiedene vulkanische Prozesse und Geräusche konzentrieren und so die Überwachung verbessern, wenn visuelle oder andere Techniken nicht zur Verfügung stehen.
„Selbst wenn wir den Ausbruch nicht sehen, weil es bewölkt ist oder wir keine permanente Kamera vor Ort haben, können wir allein am Geräusch erkennen, was los ist.“, sagte Taddeucci. „Ich hoffe, dass wir durch die Untersuchung des Ausbruchsgeräusches Veränderungen dieser Parameter allein am Lärm erkennen können. Das ist eines der Zukunftsversprechen dieser Arbeit.“.
Markante Klänge
Um das Geräusch dieser schwer fassbaren Vulkanwirbel zu lokalisieren, installierten Taddeucci und seine Mitarbeiter Hochgeschwindigkeitskameras und professionelle Mikrofone mehrere hundert Meter von den Schloten des Stromboli entfernt. Sie zeichneten außerdem Videos von einer Drohne auf, die über den Vulkan flog und dabei stetige Eruptionsschübe ausstieß. So konnte das Team Parameter wie die Größe der Schlote messen. Die Jets sind Überschallsäulen aus heißen Gasen, Asche und Rauch, die am Stromboli 100 bis 300 Meter hoch werden.
Obwohl das Team die Ringe, die es einzufangen versuchte, nicht sehen konnte, erschienen beim Filtern des Videos dunkle Flecken – die Wirbel. Sie maßen Größe und Geschwindigkeit der Ringe und isolierten durch die präzise Abstimmung von Video und Ton das tiefe, gleichmäßige Grollen der Wirbel vom Dröhnen des Eruptionsstrahls.
Da die Geräusche der Wirbel so charakteristisch und gleichmäßig waren, konnte das Team die Frequenz mit anderen Aspekten der Ringe korrelieren. Sie fanden einen klaren Zusammenhang zwischen der Wirbelbewegung, ihrem Geräusch und der Größe des Vulkanausbruchs, die sie mit der Drohne gemessen hatten. Andere Veränderungen im Klang eines Vulkans, einschließlich seines Eruptionsstrahls, könnten mit der inneren Struktur des Vulkanausbruchs zusammenhängen.
„Wirbelringe reagieren sehr empfindlich auf die Parameter, mit denen sie erzeugt werden“, erklärte Juan José Pena Fernández, Strömungsmechanikforscher und Co-Autor der neuen Studie. „Wenn wir die von einem Wirbelring erzeugte Akustik aufzeichnen, können wir die Bedingungen, unter denen er entstanden ist, ziemlich genau bestimmen. Wenn sich also das Verhalten des Vulkans ändert, könnten wir das erkennen.“.
Kombination von Audio mit Hochgeschwindigkeitsbildern „macht absolut Sinn“, sagte Amanda Clarke, eine Vulkanologin der University of Arizona, die nicht an der Studie beteiligt war.
„Ich fand es sehr kreativ und clever. Es ist nicht einfach, solche Messungen gleichzeitig im Feld durchzuführen.“, sagte Clark. „Bei solchen [explosiven] Eruptionen können die Wirbelstrukturen wirklich etwas über die Bedingungen an der Quelle aussagen. Es ist jedoch nicht einfach, diese Informationen aus den Messungen herauszufiltern, die nicht leicht zu beobachten sind.“.

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