Als Bewohner von Hawaii im Mai 2018 vor dem massiven Ausbruch des Kilauea-Vulkans flohen, griffen die Vulkanologin Cheryl Gansecki und ihre Kollegen nach einem hausgemachten Metallschild, harten Stiefeln und Schaufeln. Die Explosion war eine einmalige Gelegenheit, eine erstaunliche Wissenschaft zu betreiben - den Super Bowl der Vulkane.
Heute haben Gansecki und zwei weitere Wissenschaftlerteams ihre Ergebnisse dieser außergewöhnlichen Eruption veröffentlicht, die vier Monate dauerte, 700 Häuser zerstörte und mehrere tausend Menschen zur Evakuierung zwang. Die drei heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel vermitteln ein tieferes Verständnis des unterirdischen Installationssystems von Kilauea und erläutern, wie die Caldera vor dem Ausbruch zusammengebrochen ist.
Gansecki, an der Universität von Hawaii in Hilo, studiert seit 23 Jahren Vulkane, insbesondere Kilauea. Als die Lava über den östlichen Teil der Big Island strömte, zog Gansecki ihre Stiefel, einen Schutzanzug und eine Maske an und schleppte eine Schaufel und ein Stück Metalldach auf die verhärteten Abschnitte des Flusses. Dort schaufelte sie mit einem Partner Lava in einen Eimer Wasser, um ihn abzukühlen, während ein dritter Kollege nach explodierenden Feuerbällen Ausschau hielt.
"Das Sammeln von Lava macht Spaß", sagt sie. (Nicht jeder mag zustimmen, aber sie liebt Vulkane so sehr, dass sie sogar mit ihrem Ehemann, der ebenfalls Vulkanologe ist, ein Brettspiel entwickelt hat, das einen Ausbruch vorhersagt.)
Um Proben in den großen Flüssen der Lava zu fangen, setzte das Team eine lange Stange und Kette mit einem Metallhaken am Ende ein, „wie beim Angeln“, sagt Gansecki. Diese großen Flüsse von Lava flossen manchmal 20 Meilen pro Stunde für mehr als 25 Meilen.
Im Rahmen ihrer Studie verwendeten Gansecki und ihr Team ein geochemisches Echtzeit-Überwachungssystem, um vorherzusagen, wann sich die Lava von dicken, melasseähnlichen Strömen zu einem überhitzten Feuerfluss verändern würde. Indem sie die Temperatur der Lava schnell herausfanden, waren sie in der Lage, Notfallbeamten wichtige Daten über ihre Geschwindigkeit und das Ausmaß der Bedrohung zur Verfügung zu stellen. Es war das erste Mal, dass während eines Vulkanausbruchs ein derart schnelles Überwachungssystem eingesetzt wurde.
Der Schlüssel war die Unterscheidung zwischen älterer, sich langsamer bewegender Lava, die durch Risse und Spalten in der Erde sickerte, und frischerer, heißer Lava, die wahrscheinlich von weit unter der Oberfläche gepumpt wurde. (Der Begriff Magma bezieht sich auf geschmolzenes Gestein, das unter Tage gelagert wird. Es wird Lava genannt, wenn es an der Oberfläche austritt.)
Das Messen der Temperatur von Lava (irgendwo zwischen 1.500 und 2.000 Grad Fahrenheit) ist nicht einfach. Die meisten Thermometer schmelzen oder sind auf dem Gebiet einfach nicht praktikabel, daher müssen andere Methoden entwickelt werden. Das Team von Gansecki brachte seine Proben in ein nahe gelegenes Labor, um sie mit einem Gerät zu untersuchen, das als energiedispersives Röntgenfluoreszenzspektrometer bezeichnet wird.
Wenn die Lava abkühlt, kristallisiert sie. Deshalb tauchten die Forscher die Proben in Wasser, um das Kristallwachstum zu stoppen. Anschließend trocknete und zerkleinerte das Team die ausgehärtete Lava zu einem Pulver und presste sie zu Pellets, die im Spektrometer mit Röntgenstrahlen beschossen wurden. Die Röntgenstrahlen bewirken, dass Elemente in einer Probe mit unterschiedlichen Energieniveaus fluoreszieren, wodurch es möglich wird, sie zu identifizieren und zu messen. Die Mengen an Magnesium und Kalzium korrelieren mit der Maximaltemperatur der Lava.
Jeder Probensatz dauerte nur etwa 20 Minuten, und die chemischen und Temperaturdaten wurden schnell an Wissenschaftler weitergeleitet, die 35 Meilen entfernt waren und die Strömungen vor Ort überwachten.
Der Prozess erwies sich als wichtiger Prädiktor. Nachdem der erste Ausbruch begonnen hatte, begannen die Temperaturen zu steigen, sagt Gansecki, und manchmal trat die heißere Lava an unerwarteten Stellen in der Vulkanzone aus.
Währenddessen flog ein anderes Forschungsteam an der Caldera des Vulkans mit Drohnen, um digitale Bilder zu sammeln, während die Struktur jeden Tag mehrere hundert Fuß in sich zusammenbrach. "Dies war der am besten dokumentierte Caldera-Einsturz der Welt", sagt Kyle Anderson, Geophysiker bei US Geological Survey. "Wir konnten diese Prozesse aus nächster Nähe beobachten."
Ein alter Lavasee auf dem Gipfel des Berges war nach Andersons Worten mit dem flachen Magma-Rohrleitungssystem verbunden. Die Kaldera wurde luftleer, als Magma vom Gipfel abtropfte, wie Wasser in einer Badewanne mit einem 20-Meilen-Abflussrohr. "Der Lavasee sank täglich um 150 Fuß", sagt Anderson, der der Hauptautor des heute in Science veröffentlichten zweiten Papiers ist.
Er und sein Team verwendeten Drohnenbilder und Satellitendaten, um eine dreidimensionale digitale Karte der Seeoberfläche zu erstellen, die ihnen wertvolle Informationen darüber gab, was mit dem Magma unten geschah. Die Höhe des Sees spiegelte den Druck des Stausees unten wider.
