Wie Wissenschaftler Vulkanausbrüche vorhersagen

Die Vitalzeichen eines Vulkans lesen

Mehr als 1.500 potenziell aktive Vulkane sind über den Planeten verstreut, und etwa 50 brechen in einem bestimmten Jahr aus. Die Vorhersage, wann ein Vulkan ausbrechen wird, bleibt eine der größten Herausforderungen der Geologie. Anders als die Wettervorhersage, die sich auf ein gut verstandenes atmosphärisches Physik stützt, hängt die Ausbruchsvorhersage vom Lesen eines komplexen Satzes unterirdischer Signale ab – wobei jeder Vulkan seine eigene Persönlichkeit und Eigenheiten hat.

Dennoch haben Wissenschaftler bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Die erfolgreiche Vorhersage des Ausbruchs des Mount Pinatubo im Jahr 1991 auf den Philippinen rettete Tausende von Leben und demonstrierte, was moderne Überwachung leisten kann. Heute kombinieren Vulkanologen mindestens sechs verschiedene "Vitalzeichen", um zu beurteilen, ob ein Vulkan auf einen Ausbruch zusteuert.

Seismologie: Die erste Warnung

Erdbebenaktivität ist der zuverlässigste frühe Indikator für vulkanische Unruhe. Wenn Magma sich durch Gestein nach oben drückt, löst es Schwärme kleiner Erdbeben aus. Wissenschaftler unterscheiden zwischen vulkanotektonischen Erdbeben, die durch Gesteinsbrüche verursacht werden, und langperiodischen Erdbeben, die durch unter Druck stehende Flüssigkeiten entstehen, die sich durch Risse bewegen. Eine dritte Art – harmonischer Tremor – signalisiert, dass Magma aktiv unterirdisch fließt.

Vulkane mit hoher Bedrohung erfordern dichte Instrumentennetze. Der U.S. Geological Survey empfiehlt mindestens 12 bis 20 permanente seismische Stationen innerhalb von 20 Kilometern vom Hauptschlot eines Vulkans. In Hawai'i überwacht der USGS Kīlauea und Mauna Loa mit mehr als 50 kontinuierlichen GPS-Empfängern und umfangreichen seismischen Arrays.

Bodenverformung und Gase

Wenn sich Magma unter einem Vulkan ansammelt, wölbt sich die Oberfläche – manchmal um Zentimeter, manchmal um Meter. Wissenschaftler verfolgen diese Bodenverformung mithilfe von GPS-Stationen, Bohrloch-Neigungsmessern und interferometrischem Synthetic Aperture Radar (InSAR) von Satelliten, das Veränderungen im Millimeterbereich über weite Gebiete hinweg erkennen kann.

Vulkanische Gase bieten ein weiteres Fenster in den Untergrund. Wasserdampf dominiert, aber Verschiebungen in den Verhältnissen von Schwefeldioxid (SO₂) und Kohlendioxid (CO₂) signalisieren oft frisches Magma, das zur Oberfläche aufsteigt. Der USGS misst diese Gase mithilfe von UV-Spektrometern an Fumarolen und luftgestützten Sensoren an Bord von Forschungsflugzeugen.

Ein neues Signal: Die "Jerk"-Methode

Eine bahnbrechende Technik, die von Forschern am GFZ Helmholtz-Zentrum und dem Institut de Physique du Globe de Paris entwickelt wurde, erkennt extrem subtile Bodenbewegungen, die in Nanometern pro Sekunde hoch drei gemessen werden. Die als "Jerk"-Methode bezeichnete Technik erfasst sehr niederfrequente Signale, die entstehen, wenn Magma-Intrusionen tief unter der Erde durch Gestein dringen.

Das System wurde über ein Jahrzehnt am Piton de la Fournaise auf der Insel La Réunion getestet und hat 92 Prozent von 24 Ausbrüchen zwischen 2014 und 2023 erfolgreich vorhergesagt und Warnungen zwischen Minuten und 8,5 Stunden gegeben. Nur 14 Prozent der Warnungen waren "falsch" – und selbst diese erkannten echte Magma-Intrusionen, die einfach vor dem Erreichen der Oberfläche zum Stillstand kamen. Forscher planen, das System am Ätna in Italien einzusetzen.

Warum die Vorhersage unvollkommen bleibt

Trotz dieser Fortschritte reichen zuverlässige Vorhersagen selten mehr als ein paar Tage vor einem Ausbruch. Jeder Vulkan verhält sich anders, und völlig neue Vorläufermuster können ohne Vorwarnung auftreten. Laut dem Global Volcanism Program der Smithsonian Institution sind Vorhersagen auf Basis von Wiederholungsintervallen – die Ausbrüche auf der Grundlage vergangener Zeitpunkte vorhersagen – "bekanntlich unzuverlässig", da den meisten Vulkanen detaillierte Eruptionsgeschichten fehlen.

Behörden von Observatorien stehen auch vor einem schwierigen Balanceakt: zu früh Warnungen auszugeben und das Risiko öffentlicher Skepsis einzugehen; zu lange zu warten und Leben zu riskieren. Von den 169 geologisch aktiven Vulkanen allein in den Vereinigten Staaten werden 55 als "sehr hohes" oder "hohes" Risiko eingestuft, doch vielen fehlt es immer noch an angemessener Überwachungsausrüstung.

Die besten Vorhersagen kombinieren mehrere Datenströme – seismische, Verformungs-, Gas-, Hydrologie- und Satellitenbilder – zu einem integrierten Bild. Kein einzelner Sensor kann einen Ausbruch allein vorhersagen, aber zusammen geben sie Gemeinden wertvolle Stunden oder Tage Zeit zur Evakuierung. Da sich neue Werkzeuge wie die Jerk-Methode auf immer mehr Vulkane weltweit ausdehnen, schließt die Wissenschaft der Ausbruchsvorhersage weiterhin die Lücke zwischen Warnung und Katastrophe.