Schockwellen aus der Südsee

Wieso brechen dort Vulkane aus? Im Erdinnern erzeugt eine solche Subduktion Druck und Hitze, sodass im Krustengestein gebundenes Wasser und andere flüchtige Substanzen freigesetzt werden. Dies lässt den Schmelzpunkt des Gesteins sinken, das entstehende flüssige Magma steigt zur Erdoberfläche. Ein oft explosiver Vulkanismus ist die Folge.

Auf Satellitenfotos vor und nach der Explosion vom 15. Januar ist erkennbar, wie der größte Teil der 2015 entstandenen Vulkaninsel verschwand: Neun Tage zuvor hatte sie noch eine Landfläche von 5,1 Quadratkilometern umfasst. Zwei Tage nach dem Ausbruch sind nur zwei Inselchen mit zusammen 0,3 Quadratkilometer übriggeblieben.

Wie hoch stieg die Eruptionssäule? Proud und seinen Mitstreitern fehlte zunächst eine hinreichend genaue Methode, um dies zu klären. Normalerweise wird die Höhe einer Vulkanwolke geschätzt, indem man mit Satelliten die Temperatur an der Wolkenoberkante misst und diese mit dem vertikalen Temperaturprofil der Erdatmosphäre vergleicht. Das funktioniert, weil in deren unterster Schicht, der Troposphäre, die Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt. Wenn die Eruption jedoch stark genug ist, sodass die Wolke in die zweite Schicht, die Stratosphäre, vordringt, dann wird die Methode ungenau. Denn die Temperatur steigt dort wieder, weil die Ozonschicht die ultraviolette Strahlung der Sonne absorbiert.

Vulkanischer Rekordhalter

Proud und sein Team setzten deshalb auf eine neue Methode, die auf dem Parallaxeneffekt beruht. Er beschreibt den scheinbaren Positionsunterschied eines Objekts, wenn es aus verschiedenen Sichtlinien betrachtet wird. Beim Tonga-Ausbruch stützten sich die Forscher auf die Bilder von drei geostationären Erdsatelliten und konnten den Vulkan daher aus unterschiedlichen Blickwinkeln beobachten. Alle zehn Minuten zeichneten sie Bilder auf und dokumentierten damit den schnellen Aufstieg der Vulkanwolke.

Die Eruption begann um 17.06 Uhr lokaler Zeit. Bereits 15 Minuten später war die Wolke 25 Kilometer hoch aufgestiegen. Weitere zehn Minuten später erreichte sie 40 Kilometer Höhe. Doch damit nicht genug: Der Tonga-Vulkan spuckte sein Material sogar über die Stratosphäre hinaus. Mit 57 Kilometern erreichte es eine noch nie gemessene Höhe. Das liegt deutlich über dem Ausbruch des philippinischen Pinatubo 1991, dessen Wolke bis auf 40 Kilometer stieg. Der El-Chichón-Vulkan in Mexiko, der 1982 ausbrach, kann da ebenfalls nicht mithalten, wenngleich er immerhin 31 Kilometer erreichte.

Die HTHH-Eruption ist somit auch die erste, bei der man beobachtete, wie vulkanisches Material direkt in die dritte irdische Luftschicht geschleudert wurde, die weltraumnahe Mesosphäre. Sie erstreckt sich etwa 50 bis 85 Kilometer über unseren Köpfen. Das meiste außerirdische Material, das in Form von Meteoroiden die Erde erreicht, verglüht in dieser Schicht. Erst durch die gute heutige Satellitenabdeckung gelang es, die Höhe der vulkanischen Wolke mit der neuen Methode zu ermitteln. „Das wäre vor einem Jahrzehnt noch nicht möglich gewesen“, sagt Proud.

Ein explosives Gemisch

Warum war der Ausbruch so gewaltig? Shane Cronin von der neuseeländischen University of Auckland leitete eine Expedition, die im Mai 2022 in das Seegebiet über dem Vulkan vorstieß. Das Team nutzte Sonar-Messungen, um die Caldera zu kartieren, die zentrale Senke, die sich bei einem Vulkanausbruch bildet. Die Messungen ergaben, dass die vier Kilometer breite Caldera von zuvor weniger als 200 Meter unter dem Meeresspiegel auf mehr als 850 Meter abgesunken war.

„Der Vulkan hat diese riesige neue Caldera hervorgebracht“, staunt der Vulkanologe. Er schätzt, dass rund 6,5 Kubikkilometer Gestein herausgeschleudert wurden. Wahrscheinlich war die Wechselwirkung zwischen den großen Mengen Magma und Wasser die Ursache der enormen Explosion. „Man hat 20 Grad Celsius warmes Wasser und 1110 Grad heißes Magma“, sagt Cronin. Eine solch große Temperaturdifferenz führt zu einer enormen Dampfexplosion, wenn Wasser und Magma durch die Eruption in Kontakt geraten.

Einer Studie von Sam Purkis von der University of Miami in Florida und seinem Team zufolge fanden wohl insgesamt fünf Explosionen statt. Die letzte war die stärkste. Sie setzte eine Energie frei, die rund 15 Megatonnen TNT entsprach. Das ist etwa tausendmal stärker als die Bombe, die 1945 Hiroshima zerstörte. Die Tonga-Explosion steht somit auf einer Stufe mit der mächtigsten Atombombe, die je von den USA gezündet wurde: der Castle-Bravo-Bombe 1954 im Bikini-Atoll.

Globale Auswirkungen

Inzwischen wurden erste Analysen zu den Effekten publiziert, die der Ausbruch auf das irdische Klima und die Ozonschicht hatte (mehr dazu im Kasten „Ozon-Abbau und Klimaheizung“). Aber es gab auch ganz andere Wirkungen auf das globale Erdsystem. So veröffentlichte das Fachmagazin nature im September 2022 eine Studie des internationalen Teams um Corwin Wright von der südenglischen University of Bath. Die Forscher nutzten Satellitenbilder, um zwei Arten atmosphärischer Wellen zu verfolgen, die bei der Eruption entstanden: Schwerewellen und Lamb-Wellen.

Schwerewellen dürfen nicht mit den völlig unterschiedlichen Gravitationswellen aus der Astrophysik verwechselt werden (bdw 6/2022, „Schwarze Löcher erschüttern das All“). Vielmehr sind sie Schwingungen der Luft und bilden sich typischerweise, wenn heftige Winde auf hohe Gebirge treffen, oder bei starken Gewitterstürmen als Folge rasch aufsteigender Luftmassen. Von ihrem Entstehungsort breiten sie sich nach oben, aber auch zur Seite aus.

Lamb-Wellen sind nach dem britischen Physiker Horace Lamb benannt, der bereits vor einem Jahrhundert eine mathematische Lösung für diesen Typus fand. Sie schwingen in Ausbreitungsrichtung, ebenso wie Schallwellen, allerdings mit besonders niedriger Frequenz und bildeten die dominante atmosphärische Druckwelle, die durch die Tonga-Eruption erzeugt wurde. Lamb-Wellen werden mit den heftigsten Explosionen in der Atmosphäre in Verbindung gebracht, beispielsweise nuklearen Detonationen, oder eben mit starken Vulkanausbrüchen wie in Tonga. In den Tagen nach der HTHH-Eruption eilten diese Wellen viermal um den Globus.

Beteiligt an der Wright-Studie war auch Lars Hoffmann vom Forschungszentrum Jülich, der Satellitenmessungen der NASA auswertete. „Im spektralen Infrarotbereich bei 4,3 und 15 Mikrometer können wir Temperaturschwankungen in Luftschichten zwischen 20 und 45 Kilometern über dem Boden klar erkennen“, resümiert Hoffmann. Die Messungen lassen sich als Infrarotbilder darstellen. Sie zeigen teils faszinierende Phänomene, darunter eine Lamb-Welle, die sich über Südamerika verlangsamte und am Gebirgsmassiv der Anden teilweise reflektiert wurde.

Schwerewellen brechen eigentlich nach einigen 100 Kilometern. Doch auch sie kamen nach der Tonga-Eruption groß heraus: „Wir haben noch nie gesehen, dass atmosphärische Wellen die ganze Erde umrunden“, ist Corwin Wright gleichermaßen verblüfft wie begeistert.

Die globale Lamb-Welle breitete sich erwartungsgemäß mit rund 320 Metern pro Sekunde nahe der Schallgeschwindigkeit aus. Hingegen sind Schwerewellen meist deutlich langsamer. Sie erreichten beim Tonga-Ausbruch jedoch unerreichte Spitzenwerte von bis zu 270 Metern pro Sekunde in der Stratosphäre.

Wie wurden die atmosphärischen Wellen ausgelöst? Der HTHH-Vulkan brachte das Ozeanwasser blitzschnell zum Kochen. Mit der Eruptionswolke sind über hundert Millionen Tonnen Wasserdampf in die Stratosphäre gelangt. Dort kondensierte er. Die dabei freigesetzte latente Wärme regte letztlich die Wellen an, vermuten die Wissenschaftler.

Bebende Meere

Im Vergleich zu den Wellen, die der Vulkan in der Luft verursachte, sind diejenigen im Meer weit gefährlicher. In ihrer großen Mehrheit werden Tsunamis durch starke Erdbeben unter dem Ozeanboden erzeugt. Bei solchen Seebeben setzt eine vertikale Verschiebung des Meeresbodens die gesamte darüber liegende Wassersäule in Bewegung. Das unterscheidet die energiereichen Tsunami-Wellen von den schwächeren, durch Wind angeregte Wasserwellen. Auf hoher See sind die Amplituden von Tsunamis nur gering. Treffen sie jedoch auf Küstengebiete, können sich die Wellen zu enormen Höhen auftürmen. Durch Seebeben entstandene Tsunamis sind häufiger; mitunter werden solche Wellen aber auch durch untermeerische Vulkanausbrüche erzeugt. Dabei können eine Vielzahl verschiedener Prozesse am Werk sein. Insbesondere eine untermeerische Explosion vermag – wie beim HTHH – gewaltige Tsunamis auszulösen.

Es gibt auch andere Ursachen. So entstehen Tsunami-Wellen, wenn die Caldera nach der Entleerung der Magmakammer instabil wird und einstürzt. Eine weitere Möglichkeit: Die Eruption kann einen Erdrutsch an der Flanke des Vulkans auslösen. Wahrscheinlich war der kleinere Tsunami vom 14. Januar, dem Vortag der großen Eruption, einem solchen Flankenrutsch geschuldet. Dies belegt ein Satellitenbild, das zwei Stunden davor entstand, berichtet die Neuseeländerin Emily Lane vom National Institute of Water and Atmospheric Research in nature. Laut Thomas Walter vom Potsdamer GeoForschungsZentrum weisen zudem seismologische Messungen auf einen Teileinsturz der Caldera-Wand in den Stunden vor dem großen Ausbruch hin.

Tsunamis können sich auch dann bilden, wenn ausgeworfenes Material aus der Vulkanwolke zurück ins Meer stürzt, oder durch einen pyroklastischen Strom, der explosive Vulkanausbrüche begleiten kann. Dabei rast eine Mixtur aus heißem Gas und festem Eruptionsmaterial mit 100 Kilometer pro Stunde hangabwärts, zuweilen auch erheblich schneller. Ergießt sich ein solcher Strom ins Meer, kann er ebenfalls einen Tsunami starten. Oft treten innerhalb einer Eruptionssequenz mehrere solcher Prozesse auf.

Temporeicher globaler Tsunami

Die Druckwelle der Explosion spürten Tongas Einwohner in ihren Ohren noch 80 Kilometer vom Vulkan entfernt. Der Tsunami, der auf sie zuraste, erreichte ihre Inseln binnen zehn Minuten. Er überschwemmte sie und verwüstete küstennahe Ortschaften. Dennoch waren auf Tonga nur vier Menschenleben zu beklagen. Womöglich hatte der kleinere Tsunami vom Vortag die Bevölkerung gewarnt.

Trotzdem waren die Wellen mit 17 Metern Höhe beispielsweise auf der Hauptinsel Tongatapu beträchtlich, beschreibt es das Team um Sam Purkis aus Miami in ihrer Studie vom April 2023. Die 90 Kilometer vom Vulkan entfernte Tofua-Insel suchten sogar 45-Meter-Wellen heim. Die Wissenschaftler stufen den Tonga-Tsunami deshalb als Mega-Tsunami ein.

Andere Orte kamen glimpflicher davon. Die Wellen an der Ostküste der Insel ʻEua, etwa 25 Kilometer südöstlich von Tongatapu, waren mit fünf Metern relativ bescheiden. Die großen und flachen Riffe, die den Tonga-Archipel prägen, haben wahrscheinlich die Tsunami-Wellen beeinflusst, vermutet Purkis. Sie wirkten einerseits als Barriere, die einige der größeren Wellen dämpfte, wenn sie vom offenen Meer her eindrangen. Andererseits bildeten sie eine Art Falle und verlängerten so das Tsunami-Geschehen.

Normalerweise haben vulkanische Tsunamis nur Auswirkungen in einem Umkreis von etwa 100 Kilometern. Anders jedoch beim Tonga-Ausbruch: Seine Tsunami-Wellen waren auch noch 17.000 Kilometer entfernt messbar – an der französischen Mittelmeerküste. Das internationale Team um Patrick Lynett von der University of Southern California in Los Angeles studierte die Tsunami-Effekte sowohl in Tonga als auch im gesamten Pazifikraum. Die Wissenschaftler entwickelten ein Modell, wie diese Tsunamis entstanden sein könnten. Es bildet die anfängliche Explosion und das abrupte Absinken einer etwa 100 Meter dicken Wassermasse rund um den Vulkan ab, ausgelöst durch den Kollaps der Caldera.

Wenngleich Lynetts Datenbasis begrenzt ist, stimmen die Resultate doch mit den Messdaten von Tiefseebojen und Gezeitenmessern überein, die zur Überwachung von Tsunamis eingesetzt werden, kommentiert Tsunami-Expertin Emily Lane. Allerdings kollabieren Calderas oft langsam, wodurch das Potenzial für größere Tsunami-Wellen sinkt. Zudem wiesen neuere Ergebnisse auf pyroklastische Ablagerungen am Meeresgrund rund um den Ausbruchsort hin, meint Lane und pocht auf weitere Analysen.

Wie beim Krakatau

Der Tonga-Tsunami war in mehrfacher Hinsicht auffällig. „Das Überraschende war, dass erste Tsunami-Wellen schon zwei Stunden früher ankamen, als man es bei einem konventionellen Tsunami erwartet hätte“, sagt Tatsuya Kubota vom japanischen Forschungsinstitut für Geowissenschaften und Katastrophenanpassung. Ein Team unter seiner Leitung beschrieb im Fachblatt Science eine ungewöhnliche Wechselwirkung: Demnach gewann der Tonga-Tsunami zusätzliche Energie aus der Luft. Die atmosphärischen Lamb-Wellen wurde von einer ozeanischen Welle begleitet, berichtet Kubota. Diese breitete sich in einem Tempo aus, das herkömmliche Tsunami-Wellen, die es auf etwa 200 Meter pro Sekunde bringen, deutlich übertraf. Die Luftwelle hat den Tsunami gleichsam über den Ozean geblasen. Dabei konnte sie sogar Landmassen überspringen und auf anderen Meeren neue Tsunamis anregen. Zudem dauerte Tongas globaler Tsunami ungewöhnlich lange. Das erklärt sich wohl dadurch, dass die Lamb-Welle, die ihn anregte, mehrfach um den Globus kreiste, bis sie abebbte.

Diese seltenen Phänomene erinnern Experten an den Ausbruch des Krakatau 1883 im heutigen Indonesien. Es war der schwerste bislang beobachtete Vulkanausbruch überhaupt. Eruption und Tsunami forderten damals über 36.000 Menschenleben. Auch der Krakatau sendete damals weitreichende atmosphärische Wellen über den Globus.

Im Januar 2022 wurden zum Glück nur sechs Tsunami-Opfer gezählt, zwei davon in Peru. Allerdings wurden katastrophale Schäden in einigen Häfen Kaliforniens nur knapp vermieden, sagt Patrick Lynett: Den Wellen fehlten dafür nur einige Dezimeter Wasser. Beim klimabedingten Anstieg des Meeresspiegels könnte ein ähnliches Ereignis künftig durchaus weit entfernte Infrastruktur beeinträchtigen, warnt der Tsunami-Experte.

Die Wissenschaft wird von solchen Ausbrüchen hingegen profitieren. „Langfristig gesehen könnte die Tonga-Eruption eine Art natürliches Experiment für Atmosphären-Modelle sein“, meint der Jülicher Physiker Lars Hoffmann: Die numerischen Programmcodes zur Wettervorhersage und für Klimaprognosen könne man damit auf den Prüfstand stellen.