Vulkanische Gase sind flüchtige Stoffe, die von einem Vulkan oder einem vulkanisch aktiven Gebiet freigesetzt werden. Vulkangase sind immer an Vulkanausbrüchen beteiligt, werden aber oft auch von passiv entgasenden (schlafenden) Vulkanen freigesetzt. Flüchtige Stoffe sind in Magma gelöste chemische Elemente oder Verbindungen, die bei relativ niedrigem Druck und niedriger Temperatur ein Gas bilden3.
Das geothermische Gebiet in Island in der Nähe des Myvatn-Sees ist ein schöner Ort mit unangenehmem Schwefelwasserstoffgeruch.
Ehedem glaubte man, dass jeder Vulkan seine eigene Gasart hat: Schwefeldioxid am Ätna, Chlorwasserstoff am Vesuv, Kohlendioxid am Puracé (Kolumbien) usw. In den 1850er Jahren wies der französische Mineraloge Charles Sainte-Claire Deville nach, dass dies nicht stimmt3. Dennoch hat jeder Vulkan seinen eigenen Charakter (durchschnittliches Gemisch verschiedener Gasspezies), der sich aus der Zusammensetzung des Magmas, der tektonischen Lage, der Entgasungstiefe, den Wechselwirkungen mit dem Grundwasser und hydrothermalen Systemen, der Zusammensetzung der Kruste usw. ergibt.
Der wichtigste Bestandteil von Vulkangas ist Wasserdampf (macht etwa 90 % aller Gase aus1), obwohl die Konzentration in Gasen, die direkt aus Kratern stammen, geringer ist (etwa 60 %)3. Die zweitwichtigste Gasart ist Kohlendioxid (CO2), das etwa 10…40 % der Gase ausmacht. Die Schwefelverbindungen Schwefeldioxid (SO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) sind ebenfalls sehr wichtig. Die chemischen Elemente Cl, F und Br kommen als Säuren vor (in Verbindung mit Wasserstoff aus Wasser bilden sie Salzsäure, Flusssäure und Bromwasserstoffsäure). Sie sind ebenfalls sehr häufige Bestandteile, obwohl ihre Zusammensetzung sehr unterschiedlich ist. Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Schwefel (S2), Stickstoff (N2), Ammoniak (NH3), Sauerstoff (O2) und Edelgase kommen in kleineren Mengen vor. Auch zahlreiche Metalle sind in Spuren vorhanden (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K). Sie werden meist als Chloride und Fluoride transportiert2.
Vulkanische Gase auf Hawaii sind reich an Kohlendioxid und Schwefeldioxid. Flanke des Kilauea zwischen Pu’u O’o und der Küste.
Entgasendes Magma im Halema’uma’u-Krater (Einsturzkrater) in der Gipfelcaldera des Kilauea auf Hawaii.
Isländische Landschaft in der Nähe des Vulkans Krafla. Die Felsen im Vordergrund sind mit Mineralien (Schwefel, Gips) bedeckt, die aus vulkanischen Gasen ausgefallen sind.
Die Quellen vulkanischer Gase
Es gibt drei Hauptreservoirs, die flüchtige Komponenten zur Bildung von vulkanischem Gas liefern.
- Der Erdmantel
- Die Kruste
- Die Atmosphäre &Hydrosphäre
Das Material aus dem Erdmantel dominiert, wenn der Vulkan selbst von einem Material aus der Tiefe gespeist wird. Dies ist der Fall bei Hot-Spot-Vulkanismus unter der ozeanischen Kruste. Ein gutes Beispiel ist Hawaii. Diese Vulkane stoßen Gasgemische aus, die relativ reich an Schwefel- und Kohlenstoffverbindungen sind, aber – und das ist wichtig – wenig Wasser enthalten. Das ist der Grund, warum Hawaii und ähnliche Inselvulkane, die weit von den Kontinentalrändern entfernt sind, nicht sehr explosiv sind – sie stoßen nicht viel Wasserdampf aus. Es ist die Ansammlung von Gasen innerhalb des Vulkangebäudes, die zu explosivem Verhalten führt.
Die vulkanischen Gase der Vulkane an den Kontinentalrändern (z. B. die Ring of Fire-Vulkane, die das Pazifikbecken umgeben) sind in ihrer Zusammensetzung vielseitiger und variabler, da sie auch das Krustenmaterial einschließen, das eine sehr unterschiedliche Zusammensetzung haben kann. Diese Vulkane sind in der Regel explosiver Natur, weil ihr Magma dickflüssig ist (die kieselsäurehaltigere Zusammensetzung verhindert die Freisetzung flüchtiger Stoffe) und außerdem viel Wasser enthält, das sich um mehr als das Tausendfache ausdehnt, wenn es vom gelösten Zustand (im Magma) in die separate Gasphase übergeht.
Schlammtopf ist eine Art von Fumarole. Saure vulkanische Gase zersetzen das umgebende Gestein und verwandeln es in einen wässrigen Schlamm, der aufgrund von Blasenbildung zu kochen scheint. Dieser Schlammtopf befindet sich in Island in der Nähe des Vulkans Krafla.
Woher kommt das Wasser? Es gibt zwei Hauptquellen. Diese Art von Vulkanismus ist mit Subduktionszonen verbunden. Subduzierte Platten ozeanischer Kruste tragen hydratisierte Mineralien unter die kontinentale Kruste, wo sie aufgrund des immensen Drucks Wasser freisetzen. Dieses Wasser trägt zusätzlich zum Schmelzen des Gesteins bei, das als flüssiges Magma aufsteigt und schließlich eine Kette von Vulkanen am Kontinentalrand entstehen lässt (wie z. B. die Kaskaden). Ursprünglich war dieses Wasser Teil des Systems Hydrosphäre-Atmosphäre, aber da es den Subduktionsprozess durchlaufen hat, wird es nicht mehr als Teil dieses Systems betrachtet. Eine weitere wichtige Quelle für Wasser in vulkanischen Gasen ist meteorisches Wasser. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Regenwasser, das entweder direkt oder indirekt über regenwasserhaltige Gewässer aufgenommen wird. Das System Hydrosphäre-Atmosphäre liefert nicht nur Wasser, sondern auch Stoffe, die in Wasser gelöst sind (Sauerstoff und andere atmosphärische Gase). Das jeweilige Gemisch vulkanischer Gase hängt daher stark von den örtlichen Bedingungen ab.
Es ist auch erwähnenswert, dass vulkanisches Gas (oder ein Teil davon) nicht unbedingt das Ergebnis von Magmaentgasung sein muss. Es kann sich auch um Grundwasser handeln, das durch Vulkanismus in der Nähe erhitzt wurde. Vulkanische Gase können aus Gipfelkratern, aber auch aus Rissen an den Flanken (Fumarolen) freigesetzt werden, oder sie können diffus durch den Boden freigesetzt werden (insbesondere nicht reaktive Spezies wie CO2 und He3).
Sulphur Springs, Saint Lucia. Saint Lucia ist eine Vulkaninsel, die auf einer Subduktionszone liegt.
Der Einfluss vulkanischer Gase auf das Klima und die Umwelt
Wissenschaftler untersuchen vulkanische Gase natürlich, um einen Einblick in das Innenleben eines Vulkans zu erhalten und so besser auf zukünftige Ausbrüche vorbereitet zu sein. Aber es ist auch sehr interessant, die Gase zu untersuchen, weil sie die Zusammensetzung der Erdatmosphäre (und auch der Hydrosphäre) in der Vergangenheit stark beeinflusst haben und dies auch in Zukunft tun werden.
Die Erdatmosphäre und die Hydrosphäre beeinflussen die Zusammensetzung der vulkanischen Gase in hohem Maße, aber es ist interessant festzustellen, dass sowohl die Atmosphäre als auch die Hydrosphäre das Ergebnis der Magmaentgasung sind. Alle Hauptbestandteile (Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser) dieser Geosphären sind vulkanischen Ursprungs (bemerkenswerte Ausnahme: Sauerstoff). Die ursprüngliche Erde war wahrscheinlich vollständig geschmolzen. Sobald sie abkühlte, sammelte sich das Wasser in den tiefer gelegenen Gebieten als Regenwasser, das aus vulkanischen Dampfwolken kondensierte. Die ursprüngliche Atmosphäre war auch sehr reich an Kohlendioxid. Der derzeitige Gehalt von 0,04 % mag uns viel erscheinen, denn noch vor wenigen Jahrzehnten lag er bei 0,035 %. Dies ist eine große und sehr schnelle Veränderung, die höchstwahrscheinlich durch menschliche Aktivitäten verursacht wurde. Aber die Erde hat schon Zeiten erlebt, in denen der CO2-Gehalt um ein Vielfaches höher war. Selbst in der relativ jungen Geschichte (jung im Vergleich zu den gesamten 4,5 Milliarden Jahren der Erdgeschichte), als die Dinosaurier die Erde beherrschten, war mindestens fünfmal so viel CO2 in der Luft. Infolgedessen war auch die durchschnittliche Lufttemperatur aufgrund des stärkeren Treibhauseffekts wesentlich höher (ca. 22 °C).
Schwefel wird aus vulkanischen Gasen in Island, Vulkan Krafla, ausgeschieden. Schwefelverbindungen (insbesondere Schwefeldioxid) haben das Potenzial, Klima und Umwelt stark zu beeinflussen.
Vulkanische Gase sind daher äußerst einflussreiche Variablen, die das Klima der Erde verändern, aber die Art und Weise, wie sie es beeinflussen, ist keineswegs einfach und geradlinig. Kohlendioxid und viele andere flüchtige Verbindungen, die von Vulkanen freigesetzt werden (wie Wasserdampf und Schwefeldioxid), sind starke Treibhausgase, aber einige Stoffe haben den gegenteiligen Kühleffekt. Insbesondere SO2 hat sowohl eine kühlende als auch eine wärmende Wirkung. Es erwärmt die Atmosphäre als Treibhausgas, bildet aber auch Schwefelsäureaerosole, die mehrere Jahre in der Stratosphäre verbleiben können und als Dunst, der die einfallende Sonnenstrahlung zurückstreut, eine deutlich kühlende Wirkung haben.
Die große Mehrheit der Vulkanausbrüche hat sehr begrenzte und lokale Auswirkungen auf Klima und Umwelt. Das liegt daran, dass (1) die Menge der freigesetzten Gase gering ist, (2) der Ausbruch nicht lange genug dauert, (3) die Eruptionswolke nicht hoch genug reicht, um in die Stratosphäre einzudringen. Letzteres ist sehr wichtig, da die Aerosole der Troposphäre innerhalb einer Woche ausgewaschen werden. Die Dauer des Ausbruchs ist ebenfalls sehr wichtig, da das Klimasystem zwischen Ozean und Atmosphäre mit den vulkanischen Störungen ins Gleichgewicht kommen muss, um eine dauerhafte Wirkung auf die Umwelt zu erzielen. Das wird nicht passieren, wenn die Eruption nur wenige Monate dauert, selbst wenn sie relativ stark ist.
Geothermisches Gebiet in der Nähe von Strokkur (dem berühmtesten Geysir Islands) in Island.
Die stärksten Auswirkungen auf das Klima haben sehr großflächige und lang anhaltende Basaltausbrüche, die als Flutbasalt-Ereignisse bekannt sind. Warum muss die Eruption basaltisch sein? Enthält eine gewöhnliche silikatische Eruption nicht mehr vulkanische Gase? Ja, das stimmt, aber diese Gase, die starke kieselsäurehaltige Eruptionen verursachen, bestehen größtenteils aus Wasserdampf, der keine verheerenden Auswirkungen auf das Klima und die Umwelt der Erde haben wird. Basaltische Eruptionen hingegen enthalten mehr Schwefeldioxid, das ein viel größeres Potenzial hat, die Umwelt langfristig zu schädigen. Flutbasalt-Ereignisse sind so einflussreich, weil sie stark sind, lange dauern und viel Schwefel enthalten.
Heutzutage bringen Wissenschaftler Flutbasaltformationen immer häufiger mit großen Aussterbeereignissen in der Erdgeschichte in Verbindung. Das Aussterben der Dinosaurier vor 65 Millionen Jahren wird seit langem mit dem Impaktereignis auf der Halbinsel Yucatán in Verbindung gebracht, das zweifellos negative Auswirkungen auf die Umwelt hatte. Andererseits ist es unwahrscheinlich, dass er der einzige Schuldige ist, da es sich um ein sofortiges Ereignis mit kurzzeitigen Auswirkungen handelte. Es scheint wahrscheinlicher, dass wir Hunderte, wenn nicht Tausende von Jahren brauchen, um die Chemie zwischen Ozean und Atmosphäre ständig zu verändern, um Massenaussterben zu verursachen. Ein weiteres Indiz für diese Hypothese ist die Tatsache, dass das Aussterben in der Endkreidezeit, das die Herrschaft der Dinosaurier beendete, mit dem Dekkan-Flutbasalt-Ereignis in Verbindung gebracht wird. Ein anderes, viel schwerwiegenderes Aussterbeereignis vor 250 Millionen Jahren fällt ebenfalls mit einer großen Flutbasaltbildung in Sibirien zusammen.
Vulkane können zwar für große Aussterbeereignisse verantwortlich sein, haben aber wahrscheinlich auch mindestens einmal das Leben auf der Erde gerettet. Vor etwa 650 Millionen Jahren. Diese Zeit in der Erdgeschichte ist als Schneeball-Erd-Ereignis bekannt. Der größte Teil der Erde war mit Eis bedeckt, was die Reflektivität (Albedo) der Erde deutlich erhöhte und dazu beitrug, die Erde noch weiter abzukühlen. Es sollte eine Situation sein, in der es keine Rückkehr zu normalen Bedingungen gibt. Doch irgendwie geschah es dann doch. Wahrscheinlich wegen der verstärkten vulkanischen Aktivität, die große Mengen an Treibhausgasen in die Atmosphäre pumpte.
Vulkane und insbesondere vulkanische Gase spielen eine bedeutende und komplizierte Rolle bei der Veränderung von Klima und Atmosphäre. Wir wissen, dass der derzeitige Hintergrundvulkanismus nicht wesentlich zur globalen Erwärmung beiträgt oder die Umwelt der Erde verändert. Aber die Erdgeschichte hat deutlich gezeigt, dass sie die Macht haben, dies zu tun.
Fumarole auf dem Kilauea Iki Lavasee auf Hawaii.
Gefahren im Zusammenhang mit vulkanischen Gasen
Vulkanische Gase scheinen eine relativ geringe Gefahr darzustellen, wenn man die Opfer zählt und die durch pyroklastische Dichteströme (PDC) verursachten Todesopfer beiseite lässt. Pyroklastische Dichteströme sind sehr tödlich, aber dieses Phänomen wird in der Regel gesondert behandelt, da es sich nicht nur um eine feurige Gaswolke, sondern auch um ein Gemisch aus Gesteinsmaterial unterschiedlicher Größe handelt. Obwohl die Gesamtzahl der durch vulkanische Gase verursachten Todesfälle relativ bescheiden ist, ist der Erstickungstod definitiv keine angenehme Art zu sterben. Worin bestehen also die Gefahren und was kann man tun, um sie zu vermeiden?
Die meisten der üblichen Bestandteile vulkanischer Gase sind für Menschen und andere Lebewesen in erhöhten Konzentrationen gefährlich. Die Hauptverursacher von Todesfällen oder Gesundheitsproblemen sind Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Salzsäure, Flusssäure und Schwefelsäure.
Vulkanische Gase, die aus der Gipfelcaldera des Kilauea-Vulkans auf Hawaii aufsteigen.
Kohlendioxid
Kohlendioxid ist in kleinen Mengen harmlos (0,04 % der Luft besteht aus CO2), kann aber bei ausreichender Konzentration fast sofort zum Koma führen. CO2 ist geruchlos und farblos und dichter als Luft. Das bedeutet, dass die Gefahr nur schwer zu erkennen ist, aber wir müssen sicherstellen, dass wir in vulkanisch aktiven Gebieten zweimal nachdenken, bevor wir irgendwelche Löcher, Krater oder Vertiefungen erkunden, weil sie mit diesem Gas gefüllt sein könnten. Kohlendioxid hat im Zusammenhang mit vulkanischen Gasen eine große Zahl von Todesopfern gefordert. Besonders bekannt ist das Ereignis am Nyos-See, bei dem 1700 Menschen in Kamerun ums Leben kamen. Ich gehe hier nicht ins Detail, weil dieses Ereignis bereits an anderer Stelle gut beschrieben wurde und weil es sich um ein bemerkenswertes, aber keineswegs weit verbreitetes Ereignis handelt. Es gibt nur zwei Fälle (die Ereignisse am Nyos-See 1986 und am nahegelegenen Monoun-See 1984), in denen eine derartig rasche und großflächige Freisetzung von Kohlendioxid aus Seen dokumentiert ist4.
Kohlendioxid ist auch für die Vegetation tödlich, obwohl alle grünen Pflanzen es in geringeren Mengen für die Photosynthese benötigen. Selbst große Bäume können absterben, wenn sich so viel CO2 im Boden befindet, dass die Wurzeln der Bäume keinen Sauerstoff mehr aufnehmen können. Das bekannteste Gebiet dieser Art befindet sich im Inyo National Forest in Kalifornien. Meine persönliche lustige und traurige Geschichte im Zusammenhang mit diesem Ort ist, dass ich, obwohl ich mich als Hobbyfotograf für alles Geologische betrachte, es offenbar versäumt habe, ein Foto von diesem Ort zu machen, obwohl ich diese vertrockneten Bäume dort mit eigenen Augen gesehen habe. So etwas passiert, nehme ich an, vor allem, wenn man so dumm ist zu glauben, dass tote Bäume nichts mit Geologie zu tun haben.
Schwefeldioxid
Schwefeldioxid hat einen ausgeprägten, scharf durchdringenden Geruch, der schon in Konzentrationen von 1 ppm (ein Teil pro Million) nachweisbar ist. Ich erinnere mich an einen Atemzug an den Flanken des Kilauea in der Nähe von fließender Lava, der meine Nase so stark reizte, dass ich mich sofort umdrehte und davonlief. Es war der Geruch von SO2 in einer Konzentration von weit über 1 ppm. Vielleicht haben Sie ihn auch gespürt. Wenn man ein Streichholz zu nahe an der Nase anzündet, kann man ein brennendes und unangenehmes Gefühl verspüren, das durch die gleiche Schwefelverbindung verursacht wird. Schwefeldioxid reagiert mit Wasser in der Luft und bildet Schwefelsäure, die sich als saurer Regen niederschlägt und außerdem die Strahlung der Sonne zurückstreut, wodurch die Durchschnittstemperatur sinkt.
Vulkanische Gase sind oft reich an Schwefel, besonders Laven mafischer Zusammensetzung. Das hellgelbe Mineral ist elementarer Schwefel. Die schwefelhaltige Fumarole ist als Solfatare bekannt. Sulphur Banks, Hawaii
Schwefelwasserstoff
Schwefelwasserstoff ist ein weiteres giftiges Gas, das auch einen ausgeprägten und ziemlich unangenehmen Geruch hat, der oft mit faulen Eiern assoziiert wird. Ich fürchte, das ist für die meisten Menschen nicht sehr hilfreich, denn faule Eier scheinen heutzutage eine schwer zu findende Kuriosität zu sein. Wie auch immer, diese Schwefelverbindung und ihr Geruch sind leicht wahrnehmbar und in vulkanisch aktiven Gebieten sehr verbreitet. Außerdem ist dieses Gas schwerer als Luft und neigt dazu, sich in tiefer gelegenen Gebieten zu konzentrieren. Im Jahr 1971 starben sechs Skifahrer in Japan fast sofort, als sie eine mit diesem Gas gefüllte Senke passierten4. Viele andere Todesfälle im Zusammenhang mit Vulkangas stehen ebenfalls in direktem Zusammenhang mit dieser Schwefelverbindung.
HCl und HF
Dämpfe aus Vulkangebieten sind nicht nur wegen der Schwefelsäure sauer, sondern auch wegen des Chlor- und Fluorwasserstoffs. Ersterer ist der Hauptbestandteil der Magensäure und wird von jedem seriösen Feldgeologen in einer kleinen Flasche mitgeführt, da er ein einfacher Test für Karbonatgestein ist (um festzustellen, ob es sich um Kalkstein oder Doloston handelt). HCl ist nicht wirklich eine ernsthafte Bedrohung für unser Leben (obwohl es natürlich schon zu Todesfällen geführt hat), aber es trägt zum sauren Regen bei, verursacht Atemprobleme und reizt die Augen. Auf Hawaii bildet sich Lavadunst, wenn geschmolzene Lava, die ins Meer fließt, eine chemische Reaktion zwischen im Meerwasser gelösten Salzionen und Wasser auslöst, die zu Salzsäure führt. Flusssäure (HF) wird ebenfalls von Geologen verwendet, allerdings in Labors unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen, denn diese Substanz ist ein wirklich fieses Zeug. Sie ist extrem hautreizend, und Verbrennungen heilen nur langsam. Kontakt mit den Augen führt zu schweren Verbrennungen und Erblindung, wenn sie nicht sofort mit fließendem Wasser entfernt werden.
Lavadunst (Lava + Dunst) auf Hawaii. Diese Rauchwolke besteht aus Wasserdampf, aber sie enthält auch viel Salzsäure. Sie steigt dort auf, wo Lava aus einem Lavatunnel ins Meer fließt.
Salzsäure bildet sich, wenn Meerwasser mit darin gelöstem Salz (Natriumchlorid) reagiert.
Was können wir also tun, um die mit vulkanischen Gasen verbundenen Gefahren zu vermeiden. Das ist ganz einfach. Halten Sie sich von Vulkanen fern und es passiert nichts Schlimmes. Wenn das aber nicht das ist, was du hören wolltest, dann empfehle ich dir, auf jeden Fall tiefer gelegene Gebiete zu meiden, in denen sich dichte Gase ansammeln können, und auch auf die Windrichtung zu achten. Versuchen Sie, sich in Luv (gegen den Wind) von den Quellen vulkanischer Gase aufzuhalten und wenn Sie wirklich an wirklich gefährliche Orte gehen müssen, dann wissen Sie hoffentlich schon, was Sie tun, denn Sie sind ein professioneller Vulkanologe mit einer guten Gasmaske und Schutzkleidung.
Geothermisches Gebiet in Island in der Nähe von Viti Maar mit Schlammtöpfen und gelbem Schwefel.
Schlammfumarole (Schlammtopf) in Island.
Ein weiterer Schlammtopf in Island.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossary of Geology, 4th Edition. American Geological Institute.
2. Gerlach, T. M. (1999). Vulkanische Gase. In: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series) (Ed. Marshall, Clare P. & Fairbridge, Rhodes W.). Springer. 656-657.
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4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Hazards of Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Volcanoes (Ed. Sigurdsson, H.). Academic Press. 997-1004.