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Als der Vulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai im Januar unter Wasser ausbrach, erzeugte er eine Wolke aus Asche und Wasser, die die dritte Schicht der Erdatmosphäre durchbrach.
Es war die am höchsten aufgezeichnete Vulkanfahne und erreichte die Mesosphäre, wo Meteore und Meteoriten normalerweise auseinanderbrechen und in unserer Atmosphäre verglühen.
Die Mesosphäre, etwa 31 bis 50 Meilen (50 bis 80 Kilometer) über der Erdoberfläche, ist über der Troposphäre und Stratosphäre und unter zwei anderen Schichten. (Die Stratosphäre und die Mesosphäre sind trockene atmosphärische Schichten.)
Die Vulkanfahne erreichte an ihrer höchsten Stelle eine Höhe von 57 Kilometern. Es übertraf frühere Rekordhalter wie den Ausbruch des Mount Pinatubo 1991 auf den Philippinen mit 40 Kilometern und den Ausbruch von El Chichón 1982 in Mexiko mit 31 Kilometern.
Die Forscher verwendeten Bilder, die von Satelliten aufgenommen wurden, die über die Eruptionsstelle flogen, um die Höhe der Wolke zu bestätigen. Der Ausbruch ereignete sich am 15. Januar im südlichen Pazifik vor dem tonganischen Archipel, einem Gebiet, das von drei geostationären Wettersatelliten abgedeckt wird.
Eine Studie mit detaillierten Angaben zu den am Donnerstag in der Zeitschrift veröffentlichten Ergebnissen Wissenschaft.
Die hoch aufragende Wolke, die in die oberen Schichten der Atmosphäre geschickt wurde, enthielt genug Wasser, um 58.000 olympische Schwimmbecken zu füllen, wie frühere Detektionen eines NASA-Satelliten zeigten.
Das Verständnis der Höhe der Wolke kann Forschern helfen, die Auswirkungen zu untersuchen, die der Ausbruch auf das globale Klima haben könnte.
Die Bestimmung der Höhe der Wolke stellte die Forscher vor eine Herausforderung. Typischerweise können Wissenschaftler die Höhe einer Wolke messen, indem sie ihre Temperatur untersuchen – je kälter eine Wolke, desto höher ist sie, sagte der Mitautor der Hauptstudie, Dr. Simon Proud, wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Center for Earth Observation und der University of Oxford.
Aber diese Methode konnte aufgrund der heftigen Natur seines Ausbruchs nicht auf das Tonga-Ereignis angewendet werden.
„Der Ausbruch hat die Atmosphärenschicht, in der wir leben, die Troposphäre, in die oberen Schichten gedrückt, wo sich die Atmosphäre wieder erwärmt, wenn Sie höher werden“, sagte Proud per E-Mail.
„Wir mussten einen anderen Ansatz finden, indem wir die unterschiedlichen Ansichten von Wettersatelliten auf gegenüberliegenden Seiten des Pazifiks und einige Mustervergleichstechniken nutzten, um die Höhe zu ermitteln. Dies ist erst in den letzten Jahren möglich geworden, da wir noch vor zehn Jahren nicht über die Satellitentechnologie im Weltraum verfügten, um dies zu tun.“
Das Forschungsteam stützte sich auf den „Parallaxeneffekt“, um die Höhe der Wolke zu bestimmen, und verglich den Unterschied im Aussehen der Wolke aus mehreren Winkeln, wie sie von den Wettersatelliten erfasst wurden. Die Satelliten nahmen alle 10 Minuten Bilder auf und dokumentierten die dramatischen Veränderungen in der Wolke, als sie aus dem Ozean aufstieg. Die Bilder spiegelten Unterschiede in der Position der Wolke aus unterschiedlichen Sichtlinien wider.
Der Ausbruch „verwandelte sich in 30 Minuten aus dem Nichts in einen 57 Kilometer hohen Turm aus Asche und Wolken“, sagte Proud. Mitglieder des Teams bemerkten auch schnelle Veränderungen an der Spitze der Eruptionsfahne, die sie überraschten.
„Nach dem anfänglichen großen Ausbruch auf 57 Kilometer brach die zentrale Kuppel der Wolke nach innen zusammen, bevor kurz darauf eine weitere Wolke auftauchte“, sagte Proud. „Ich hatte nicht erwartet, dass so etwas passiert.“
Es wird erwartet, dass die Menge an Wasser, die der Vulkan in die Atmosphäre freigesetzt hat, den Planeten vorübergehend erwärmen wird.
„Diese Technik ermöglicht es uns nicht nur, die maximale Höhe der Wolke zu bestimmen, sondern auch die verschiedenen Niveaus in der Atmosphäre, in denen vulkanisches Material freigesetzt wurde“, sagte der Co-Autor der Studie, Dr. Andrew Prata, ein Postdoktorand in der Unterabteilung des Clarendon Laboratory atmosphärische, ozeanische und planetare Physik an der University of Oxford, per E-Mail.
Die Kenntnis der Zusammensetzung und Höhe der Wolke kann Aufschluss darüber geben, wie viel Eis in die Stratosphäre geschickt wurde und wo Aschepartikel freigesetzt wurden.
Die Höhe ist auch für die Flugsicherheit von entscheidender Bedeutung, da Vulkanasche Triebwerksausfälle verursachen kann, daher ist die Vermeidung von Aschewolken von entscheidender Bedeutung.
Die Höhe der Wolke ist ein weiteres auftauchendes Detail dessen, was als einer der stärksten aufgezeichneten Vulkanausbrüche bekannt geworden ist. Als der Unterwasservulkan 40 Meilen (65 Kilometer) nördlich von Tongas Hauptstadt ausbrach, löste er einen Tsunami sowie Schockwellen aus, die um die Welt liefen.
Die Forschung ist im Gange, um herauszufinden, warum der Ausbruch so stark war, aber es könnte daran liegen, dass er unter Wasser stattfand.
Die Hitze des Ausbruchs ließ das Wasser verdampfen und „erzeugte eine Dampfexplosion, die viel stärker ist, als es normalerweise ein Vulkanausbruch wäre“, sagte Proud.
„Beispiele wie der Hunga Tonga-Hunga Ha’apai-Ausbruch zeigen, dass Magma-Meerwasser-Wechselwirkungen eine bedeutende Rolle bei der Erzeugung hochexplosiver Eruptionen spielen, die vulkanisches Material in extreme Höhen schleudern können“, fügte Prata hinzu.
Als nächstes wollen die Forscher verstehen, warum die Wolke so hoch war, sowie ihre Zusammensetzung und anhaltenden Auswirkungen auf das globale Klima.
„Wenn Leute an Vulkanschwaden denken, denken sie oft an Vulkanasche“, sagte Prata. „Allerdings zeigen Vorarbeiten zu diesem Fall, dass es einen erheblichen Anteil an Eis in der Wolke gab. Wir wissen auch, dass sich nach dem Ausbruch schnell eine ziemlich bescheidene Menge an Schwefeldioxid- und Sulfat-Aerosolen gebildet hat.“
Proud will in dieser Studie die Multi-Satelliten-Höhentechnik nutzen, um automatische Warnungen vor schweren Stürmen und Vulkanausbrüchen zu erstellen.