Wie Supervulkane funktionieren

1883 brach ein indonesischer Vulkan mit der Kraft von mehreren tausend Atombomben aus, tötete schätzungsweise 36.000 Menschen und erzeugte das, was manche als das lauteste Geräusch bezeichnen, das jemals auf der Erde gehört wurde [Quelle: Bhatia ]. Krakatau (alias Krakatoa ) hallte wie fernes Kanonenfeuer über 3.000 Meilen (4.828 Kilometer) Land und Ozean wider. Es spuckte genug Gas und Staub in den Himmel, um die durchschnittliche globale Temperatur um 0,9-1,8 F (0,5-1,0 C) zu senken [Quellen: Geological Society of London ; Tharoor ]. Bis heute ist sein Name gleichbedeutend mit Katastrophe.

Neben einem Supervulkan ist Krakatau eine Schnappkappe. Eine Packung Pop Rocks.

OK, das ist übertrieben und besser für kleinere Vulkane geeignet. Aber stellen Sie sich vor, 50 Krakataus oder 1.000 Mount St. Helens brechen an einem einzigen Ort aus und sprengen in Minuten so viel Auswurf, wie kleinere Vulkane in Jahren produzieren.

So sehr wir Erdbeben, Tsunamis, Waldbrände und tödliche Stürme fürchten mögen, in Wirklichkeit haben nur wenige Naturereignisse die Kraft, die globale Zivilisation in die Knie zu zwingen. Einer ist ein planetenvernichtender Meteor. Möchtest du den anderen erraten?

Hier ist ein Hinweis: Vor 74.000 Jahren erlebte Krakataus Nachbarinsel Sumatra eine Supereruption, von der manche sagen, dass sie die Menschheit fast ausgelöscht hätte. Obwohl dieser hypothetische Populationsengpass Gegenstand von Untersuchungen und Debatten bleibt, wissen wir, dass die Toba-Supereruption 670 Kubikmeilen (2.800 Kubikkilometer) Auswurf produzierte, eine Caldera von 19 mal 62 Meilen (30 mal 100 Kilometer) und möglicherweise einen Sprung hinterließ -begann eine 10.000-jährige Eiszeit [Quellen: Achenbach ; Friedman-Rudovsky ; Geologische Gesellschaft von London ; Marschall ; Tyson ; USGS ].

Wissenschaftler haben weltweit etwa 30-40 Supervulkane identifiziert, von denen 6-10 potenziell aktiv sind [Quellen: Friedman-Rudovsky ; Marschall ]. Der letzte Ausbruch war vor 26.000 Jahren in der Nähe von Taupo, Neuseeland [Quellen: WTVY ; USGS ]. Das größte uns bekannte Ereignis, das Fish Canyon Tuff-Ereignis in Colorado vor etwa 28 Millionen Jahren, hat 1.200 Kubikmeilen (5.000 Kubikkilometer) Ablagerungen ausgespuckt – fünfmal so viel, wie normalerweise erforderlich ist, um sich der vulkanischen Legion of Boom anzuschließen [Quelle: Geological Gesellschaft von London ].

Heute sind Nordamerika, Südamerika und Asien den größten Risiken zukünftiger Supereruptionen ausgesetzt. Europas einziger bekannter Supervulkan, das Gebiet der Phlegräischen Felder, das gegenüber dem Vesuv gegenüber der Bucht von Neapel liegt, brach zuletzt vor 35.000 Jahren aus [Quelle: Geological Society of London ].

Während wir uns in diesem Artikel mit Supervulkanen befassen, widmen wir dem unruhig schlummernden Riesen im Hinterhof der USA besondere Aufmerksamkeit: dem Hotspot unterhalb des Yellowstone-Nationalparks, Heimat von 2-3 Supereruptionen in den letzten 2,1 Millionen Jahren [Quellen: Achenbach ; Robinson ; Tyson ; USGS ]. Und wir hoffen, dass Vulkanologen die Häufigkeit dieser Kataklysmen korrekt auf etwa eine alle 100.000 Jahre geschätzt haben, denn im Moment können wir nicht viel dagegen tun.

1. Was wir nicht über Supervulkane wissen, würde eine Caldera füllen
2. Yellowstone: Der Supervulkan im Hinterhof
3. Yellowstone und der schreckliche, schreckliche, nicht gute, sehr schlechte Tag

Es gibt keine allgemein akzeptierten Kriterien für Supervulkane. Vulkane existieren auf einem Kontinuum, wenn auch einem logarithmischen, daher neigen kategoriale Kanten dazu, unscharf zu sein [Quellen: Achenbach ; Geologische Gesellschaft von London ; Tyson ]. Folglich variieren die Schätzungen hinsichtlich der Anzahl der Supervulkane und darüber, wie oft sie ihre Spitzen sprengen.

Es gibt jedoch einige allgemeine Abgrenzungen, darunter Magma , das Volumen oder die Masse des ausgebrochenen Magmas, und Intensität , die Geschwindigkeit, mit der das Magma ausbricht [Quelle: Geological Society of London ]. Magma ist heißes, geschmolzenes Material, das aus dem Erdmantel oder der Erdkruste kommt und bei Vulkanausbrüchen als Lava herausgedrückt wird. Es enthält typischerweise Silikate, suspendierte Kristalle und gelöste Gase [Quelle: Oxford Dictionary of Science].

Eine andere gebräuchliche Kategorisierung, der sogenannte Volcano Explosivity Index (VEI) , klassifiziert Vulkane nach der Höhe der Aschesäule und der Menge der ausgestoßenen Asche, Bimsstein und Lava [Quelle: USGS ]. Supervulkane nehmen üblicherweise die höchste VEI-Kategorie ein, Magnitude 8, was bedeutet, dass sie mehr als 240 Kubikmeilen (1.000 Kubikkilometer) ausgebrochenes Material und eine mehr als 16 Meilen (25 Kilometer) hohe Wolke produzieren [Quellen: Marshall ; Rowlet ; USGS ]. Supervulkane lassen Zerstörung über ganze Landstriche regnen und hinterlassen Krater von der Größe von Rhode Island [Quellen: Achenbach ; Geologische Gesellschaft von London ; Robinson ; Tyson ].

Für solch enorme und zerstörerische Wunder sind Supervulkane überraschend schwer zu erkennen. Tatsächlich sind ihre Größe und Macht Teil des Problems. Anstatt Berge zu bauen, sprengen diese Riesen sie in die Luft. Tatsächlich wurde der Supervulkan des Yellowstone-Nationalparks teilweise aufgrund einer Lücke entdeckt, die er in der ansonsten zerklüfteten Landschaft geschaffen hatte. Selbst dann lässt seine schiere Ausdehnung – 50 mal 70 Kilometer (30 mal 45 Meilen) – die Fähigkeit des Verstandes ins Wanken, alles aufzunehmen [Quellen: Achenbach ; Geologische Gesellschaft von London ; Tyson ].

Hinzu kommt die Weite der Zeit – die Hunderttausende bis Millionen von Jahren, in denen eine Caldera erodieren, sich mit Lava aus kleineren Eruptionen füllen oder zu einem von Bäumen gesäumten See werden kann – und es ist nicht schwer zu verstehen, wie sich Supervulkane darin verstecken können klarer Anblick. Aber die Forscher bleiben durch eine weitere Unermesslichkeit behindert, nämlich das Ausmaß der Prozesse, die sie speisen – Mechanismen, die tief in die Erde reichen und sich über Hunderte von Kilometern erstrecken [Quellen: Friedman-Rudovsky ; Geologische Gesellschaft von London ; Marschall ; Tyson ; USGS ].

Betrachten Sie sie also nicht als vergrößerte Vulkane. Supervulkane sind ein ganz eigenes Phänomen, ein tiefer Prozess, den wir immer noch schwer verstehen können [Quellen: Achenbach ; Malfaitet al. ]. Um besser zu verstehen, wie sie funktionieren, wenden sich Forscher potenziellen Supervulkanen wie Uturuncu in Bolivien zu, der in den letzten zwei Jahrzehnten jährlich um 1,3 Zentimeter gewachsen ist, und bekannten Hotspots von aufsteigendem Magma wie dem unter Yellowstone [Quelle : Friedman-Rudovsky ].

Verfolgen Sie auf der Karte eine Linie vom Norden Nevadas durch den Süden Idahos bis in den Nordwesten von Wyoming, und Sie werden einer intermittierenden Narbe vulkanischen Chaos folgen, die sich über 560 Kilometer erstreckt und 18 Millionen Jahre zurückreicht. Die Kette von Vulkanen wird zunehmend jünger, wenn Sie sich entlang dieser West-Ost-Linie bewegen, wobei jeder einen Bereich markiert, in dem der Magmadruck von einem einsamen Hot Spot durchbrach. Die Kette endet wie der Hotspot im Yellowstone-Nationalpark in Sackgassen [Quellen: Achenbach ; Geologische Gesellschaft von London ].

Eigentlich ist es nicht der Hotspot, der sich bewegt. Vielmehr schleift die nordamerikanische Platte mit etwa 1,8 Zoll (4,6 Zentimeter) pro Jahr über Kopf. Hin und wieder platzt der Hot Spot durch. Während seiner mehr als 2 Millionen Jahre unter Yellowstone hat es drei Jumbo-große Ereignisse hervorgebracht [Quellen: Achenbach ; Robinson ; Tyson ; USGS ]:

Heute hat der Yellowstone-Hotspot, soweit wir wissen, eine mildere Miene angenommen. Es erwärmt die berühmten Geysire , heißen Quellen, Dampfquellen und Schlammtöpfe des Parks und nimmt dem Yellowstone Lake, der teilweise aus der Caldera eines eingestürzten Supervulkans entstanden ist, etwas von der Kälte. Aber es führt auch gelegentlich dazu, dass sich der Boden darüber beunruhigend wölbt und uns daran erinnert, dass ein schlafender Drache doch ein Drache ist [Quellen: Achenbach ; Enzyklopädie Britannica ; USGS ].

Obwohl Forscher den Yellowstone auf Erdbeben, Bodendeformationen, Strömung und Temperatur überwachen, bleibt unklar, wie viel Warnung ein Supervulkan vor seinem Ausbruch geben könnte [Quellen: Geological Society of London ; Tyson ; USGS ]. Erdbeben, von denen Yellowstone jährlich 1.000-3.000 hat, könnten vor einem vulkanischen Ereignis warnen, aber sie könnten auch Druck freisetzen und dadurch dazu beitragen, eines zu verhindern [Quellen: Achenbach ; USGS ].

Supervulkane geben auch regelmäßig Druck durch kleinere Eruptionen ab. In den 640.000 Jahren seit Lava Creek hat Yellowstone etwa 80 nicht explosive, Lava produzierende Eruptionen erlebt, und die nächste Yellowstone-Eruption wird eher von der Größenordnung des Pinatubo sein – alles andere als unbedeutend, aber kein Supervulkan [Quellen: Achenbach ; USGS ].

Aber was ist, wenn die Würfel nicht in unsere Richtung rollen? Wie könnte ein Supervulkanausbruch im Yellowstone aussehen?

Wendepunkt

Die schiere Größe von Supervulkanen, kombiniert mit unserem Mangel an Daten über die Arten und Mengen der von ihnen produzierten Gase, erschweren die Vorhersage ihrer Klimaauswirkungen – insbesondere wenn Sie die Komplexität des Klimasystems der Erde berücksichtigen. Aber wir kennen Kipppunkte in der Natur, die schnelle, irreversible (oder langsam rückgängig zu machende) Klimaveränderungen verursachen können. Gletscherwachstum und Eiskappenschmelzen beispielsweise funktionieren beide über Rückkopplungsschleifen, die sich mit der Zeit beschleunigen können. Der Supervulkan Toba beschleunigte möglicherweise eine Eiszeit, indem er einen Daumen auf die Waage einer dieser Waagen legte [Quellen: Achenbach ; Friedman-Rudovsky ; Geologische Gesellschaft von London ; Marschall ; Tyson ].

Most supereruptions occur in areas that remain active over millions of years but enjoy a long repose period, so don't place too much confidence in Yellowstone's apparent calm. Broadly speaking, the longer the dormancy, the bigger the boom [source: Geological Society of London].

Like other supervolcanic areas, Yellowstone sits on a long-active tectonic zone, a weakened and thinned crust overlying a 2,500 F (1,370 C) magma dome rising from the upper mantle . This dome has melted and broken into the crust to create two magma chambers roughly 5-7 miles (8-11 kilometers) underground, each measuring 30-plus miles (48-plus kilometers) across [source: Encyclopedia Britannica]. These magma chambers are filled with an amalgam of magma, semisolid rock and dissolved gases like water vapor and carbon dioxide.

Over centuries and millennia, additional magma builds up, delivering more heat and pressure, pushing overlaying ground upward little by little. If the chamber receives a steady and substantial supply of hot magma, pressure builds in an often cyclical process called incubation. If it doesn't, then some material solidifies and sinks, removing pressure. The sheer volume of a supervolcano's magma chamber means that incubation requires a heat delivery rate 2-3 orders of magnitude greater than that of a traditional volcano [sources: Achenbach; Klemetti].

Eventually, overpressure creates fractures along the dome's periphery, venting pressure from the chamber. The gas-filled magma blasts skyward, raining ash and debris over hundreds of miles and releasing deadly pyroclastic flows -- fast-moving, thick clouds of gas, ash and rocks boiling away from the eruption at 1,470 F (800 C) – across tens of thousands of square miles [sources: Achenbach; Geological Society of London].

Additional blasts pop off periodically for weeks. Ash drifts down on a regional scale, filling the sky with pollutants and blanketing tens of millions of square miles in inches of crop-killing ash [sources: Geological Society of London; Klemetti]. Until it settles, anyone within thousands of miles around risks breathing tiny glass needles, bursting pulmonary blood vessels and drowning in a slurry of ash and lung moisture [sources: Achenbach; Geological Society of London; Tyson]. Ash collapses roofs, pollutes vital water sources and gums up vehicle engines, sparking a crisis of food production, transportation, communication and economics lasting months to years [sources: Geological Society of London; Klemetti].

Within weeks, dust and sulfate aerosols encircle the globe, filtering out sunlight and cooling global average temperatures by an estimated 5-9 F (3-5 C) for several years afterward [sources: Geological Society of London; Klemetti; Marshall]. One-third of the U.S., particularly the states of Montana, Idaho and Wyoming, remain uninhabitable for months, possibly years [sources: Tyson; USGS].

Thankfully, the odds argue against this happening any time soon. But another supereruption, someday, somewhere in the world, is inevitable. Maybe it's time we got started on that Mars colony after all.

It Doesn't Take Much

Obwohl 50 Mal kleiner als ein Supervulkan, senkte Pinatubo (1991) auf der philippinischen Insel Luzon die Oberflächentemperaturen in der nördlichen Hemisphäre um bis zu 0,9-1,1 F (0,5-0,6 C). Tambora (1815) dämpfte die Sommertemperaturen auf der Nordhalbkugel zwei Jahre lang in Folge. Krakatau (1883) verursachte einen jahrelangen Rückgang der Temperaturen in der unteren Atmosphäre um durchschnittlich 0,9-1,8 F (0,5-1,0 C). Diese Durchschnittswerte verbergen wahrscheinlich schwerwiegendere lokale Effekte [Quellen: Geological Society of London ; Selfet al. ].

Anmerkung des Autors: Wie Supervulkane funktionieren

Supervulkane sind ein faszinierendes Thema, aber es ist schwierig, darüber zu schreiben. Einerseits staunen wir über das enorme Ausmaß, das durch ihre riesigen Calderas und hoch aufgehäuften Ablagerungen offenbart wird, und wir können ihre klimaverändernde Kapazität anhand von Eisbohrkernen, Baumringen und Mikroben erahnen, die ihre Struktur als Reaktion auf Klimaänderungen verändern. Andererseits wissen wir so viel nicht über den Inhalt ihrer Magmen und die Dynamik, die ihre tief aufsteigenden Schwaden antreibt. Selbst scheinbar harmlose Chemikalien und Materialien können das Klima in unermesslicher Weise stören, wenn sie in ausreichender Menge in die Atmosphäre gelangen. Wir wissen es einfach nicht.

Und das ist das Furchterregende an diesen Giganten. Trotz all unseres Wissens über vulkanische und tektonische Ereignisse und obwohl Supervulkane direkt hier auf der Erde existieren, könnten sie in gewisser Weise genauso gut Meteore auf Aussterbeniveau aus dem Weltraum sein. Unsere Fähigkeit, sie vorherzusagen oder irgendetwas dagegen zu unternehmen, ist ebenso gering, und in beiden Fällen müssen wir uns an den kalten Trost langer Chancen klammern.

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