Thema gewählt von Robin Schmies
Bevor man den Vulkanismus im Erdsystem betrachtet, stellt sich zunächst die Frage was man unter dem Erdsystem versteht:
Eine Modellvorstellung, in der die verschiedenen Erdsphären wie Zahnräder in einem Getriebe ineinander greifen und mit allen anderen Zahnrädern (den anderen Sphären) wechselwirken. Es gibt verschiedene Betrachtungsweisen, jedoch finde ich es schlüssig, den Vulkanismus in folgenden Erdsphären näher zu beleuchten: Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre, Lithosphäre und die Kryosphäre. Dabei versuche ich angesichts meinem sehr allgemeinen Thema und der fließenden Übergängen zu den Themen meiner Kollegen einen guten Kompromiss zu finden und entschuldige mich, wenn das nicht immer funktioniert.
Vulkanismus und die Atmosphäre:
Vulkanismus ist in vielerlei Hinsicht etwas Gutes als auch etwas Schlechtes für unseren Planeten. Wie bei so vielen Dingen ist die richtige Dosis pro Zeit der entscheidende Faktor. So verhält es sich auch mit der Beziehung zur Atmosphäre. Klammert man den Menschen aus der Erdgeschichte aus, ist der Treibhauseffekt ein physikalisch-chemischer Prozess, dem jedes Lebewesen dankbar sein sollte, da er eine durchschnittliche Temperatur der Atmosphäre von etwa 15 °C ermöglicht. Die Gründe dafür sind die Treibhausgase, die Vulkane über die vielen Millionen Jahre seit dem die Erde existiert kontinuierlich austoßen. Um es kurz zu fassen: Diese Gase reflektieren das Sonnenlicht zurück zur Erdoberfläche, sodass sie gefangen sind in der Atmosphäre und diese aufheizen wie in einem Treibhaus. Übertreibt man die Konzentration der Treibhausgase, wie es aktuell der Fall ist, führt dieser Effekt in eine schädliche, lebenslimitierende Richtung.
Aber zurück zu den Vulkanen. Nur dieses Mal ist der Blick auf einige Jahre bis Jahrzehnte gerichtet. Starke Eruptionen wie die des Pinatubos 1991 schleudern in kurzer Zeit große Mengen der Treibhausgase bis in die Stratosphäre. Dort wirkt besonders die Verbindung Schwefeldioxid vorübergehend wie ein gewaltiger Spiegel (man spricht hier von der sog. Albedo) für das Sonnenlicht.
Die Folge ist eine Abkühlung des globalen Klimas um wenige Grad Celsius für max. einige Jahre, aber selbst darauf reagiert das Gleichgewicht der Erde sehr empfindlich. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das “Jahr ohne Sommer” 1816 als man weltweit aufgrund der Eruption des Tamboras im Vorjahr warme Temperaturen vernahm. Eine weiterer Zusammenhang zwischen Vulkanismus und der Atmosphäre ist die Beteiligung des vulkanischen Kohlenstoffdioxids am Kohlenstoffkreislauf – allerdings gehe ich aus Rücksicht auf den Kollegen Klink nicht näher darauf ein.
Vulkanismus und die Hydrosphäre:
Dieser Zusammenhang steht oft im Widerspruch mit der gängigen Vorstellung von Vulkanismus, da man ihn meist direkt mit dem ersten Thema assoziiert. Dennoch gibt es auch hier mehrere Aspekte, denen bei genauerer Betrachtung eine größere Rolle zugeschrieben werden sollte.
Aufgrund der Tatsache, dass man bis heute immer noch mehr über kosmische Geologie weiß, z.B. über den Mars, als über unsere eigenen Ozeane, ging man lange davon aus, dass die Ozeane mit Ausnahme der Bildung des mittelozeanischen Rückens (kurz MOR, siehe später) wenig bis gar nichts mit Vulkanismus zu tun haben . 1977 entdeckte man jedoch eine häufig vorkommende Begleiterscheinung des MOR-Vulkanismus’ :
Hydrothermale Quellen, die schwarzen als auch weißen Dampf ausstoßen, genannt Schwarze bzw.Weiße Raucher. Schwarze Rauchfahnen entstehen hier beim Austreten von Eisensalzen und weißer Rauch ist ein Resultat beim Austoß von Sulfaten. Diese faszinierenden Schlote werden auch “Fabriken der Meere” genannt, da sie eine Vielzahl chemischer Verbindungen in die Wassersäule ausstoßen und die Chemie des Meerwassers in einem ähnlich starken Ausmaß beeinflussen, wie es beim Transport gelöster terrestrischer Chemikalien über die Flüsse der Fall ist.
Zudem sind die spektakulärsten und zugleich unberechenbarsten Eruptionen gerade deshalb so launisch, weil Wasser eine entscheidende Rolle spielt. Man mag sich vielleicht vorstellen, dass etwa 1000 °C heißes Magma und sagen wir 5°C kaltes Wasser sich nicht so gut vertragen. Treffen diese beiden “Urmächte der Erde” in den Phreatomagmatischen/Phreatischen Eruptionen aufeinander entsteht eine Explosion, die das Nebengestein bersten lässt, sodass es sich mit dem Magma vermischt. Das Gemisch erschreckt augenblicklich und eine sehr dampfreiche Eruption ist die Folge. Auf diese Weise entstehen beim Hot-Spot-Vulkanismus auch die Seamounts (Unterwasserberge), die mit der Zeit zur Wasseroberfläche wachsen und Inseln bilden.
Handelt es sich um meteorische Wässer (Grundwässer), auf die das Magma trifft, spricht man von einem Maar. Das Prinzip ist dasselbe wie im Ozean, nur mit dem Unterschied, dass diese Form der phreatischen Eruptionen an nahezu perfekt runden Kratern mit einem Uferwall zu erkennen sind, welche sich mit Wasser füllen und wie der Laacher See ein beliebtes Erholungsgebiet darstellen.
Eine dritter Aspekt, den ich hier gerne auch hinsichtlich des folgenden Kapitels erwähnen möchte sind Postvulkanische Erscheinungen, die auf einen ruhenden Vulkan hindeuten aber dennoch ist ihre Aktivität auf eine intakte Magmakammer zurückzuführen . Dazu zählen Geysire, Fumarole, Solfataren und Mofetten. Ein Geysir ist einfach gesagt in regelmäßigen Abständen erhitztes Grundwasser, das einen Weg an die Oberfläche gefunden hat und in imposanten Fontänen herausspritzt. Es gibt sie auch im Zusammenhang mit kaltem Wasser (Kaltwassergeysire), wie es in Andernach zu bestaunen ist. Fumarole sind generell herausströmende vulkanische Gase, die 100 -1000 °C heiß sein können. Solfataren sind eine besondere Art der Fumarole, bei der ein erhöhter Gehalt Schwefelwasserstoff zu verzeichnen ist. Mofetten dagegen sind die einzige kalte Ausgasung und zwar von Kohlenstoffdioxid.
Vulkanismus und die Biosphäre:
Vulkanismus ist eine sehr eigennützige Erscheinungsform der Schöpfungs- aber auch Zerstörungskraft unseres einzigartigen Planeten. Zwar gibt es diesen auch auf anderen Himmelskörpern (siehe Beitrag vom Kollegen Kornrumpf) aber nirgendswo liegen die “Marionettenfäden des Lebens” so fest in dessen Händen wie bei uns. “Eigennützig” schreibe ich bewusst deshalb, weil er keine Rücksicht auf das Leben nimmt, egal wen oder was es betrifft. Dennoch liegt, wie die Forschung der letzten Jahrzehnte im Bereich der Mikrobiologie und der Geobiologie zeigt, der Ursprung des Lebens im extensiven Vulkanismus der Frühzeit der Erde (Archaikum). Um dieser Aussage Plausibilität zu verleihen, lohnt sich ein Blick in die Welt des Kleinen:
Bakterien, Eukaryoten und die für viele eher unbekannten Archeen sind die Domänen des Lebens oder anders gesagt: Alles was lebt lässt sich auf diese Einteilung reduzieren.
Man ging davon aus, dass man in siedendem Wasser keine Lebewesen mehr finden würde, da in der Regel nichts mit dieser extremen Hitze umgehen kann. Trotzdem gibt es eine Vielzahl an hochspezialisierten Organismen, die bei den unterschiedlichsten, für viele andere Lebewesen definitiv tödlichen, Umweltbedingungen übrlebensfähig sind und sich sogar bester Gesundheit erfreuen. Man nennt sie Extremophile. Sie werden oft durch die genannten Archeen vertreten. Eine Untergruppe stellen die Hyperthermophile dar, welche besagte Temperaturen über 80°C und sogar nachweislich bis 122°C ertragen. Dazu ist vielen Archeen das Vorhandensein von Sauerstoff egal, da sie andere Stoffwechselmechanismen z.B. mit Methan entwickelt haben.
Im Archaikum gab es noch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre und sehr heiß war es angesichts des starken Vulkanismus auch, sodass es durchaus denkbar ist, dass das höhere Leben wie wir es kennen auch durch solche Bedingungen an Schwarzen Rauchern oder in den Thermalquellen, in denen Fumarole usw. auftreten, möglich wurde. Es ist sicher auch nicht falsch, dass auf einem Planeten Leben wahrscheinlicher ist, wenn auf ihm Plattentektonik mit Vulkanismus auftritt, so dieses niedere Leben möglich ist und damit die “Weichen für die Evolution” gestellt sind.
Ein zweiter Aspekt bei dem Vulkanismus Leben begünstigt sind die Vulkanbauten selbst. Schon die ersten Winzer in der Nähe des Vesuvs wussten, dass dessen Flanken bzw. dessen vulkanische Böden äußerst fruchtbar sind und sich hervorragend nutzen lassen für den Weinanbau. Von dieser Fruchtbarkeit profitieren ganze Ökosysteme, gerade wenn im Zusammenhang mit dem genannten Hot-Spot-Vulkanismus ganze Inseln bzw. Inselketten entstehen, auf denen eine ungestörte Artenvielfalt herrscht. Hierzu zählen auch Saumriffe und Atolle, die beim Abtauchen der Vulkaninseln die nächsten Stadien darstellen. Ein hervorragendes Beispiel für diese Diversität sind die hawaiianischen Inseln oder auch unser Exkursionsgebiet Madeira. Nicht umsonst wird Madeira die “Blumeninsel” genannt und wie man sieht, steckt hinter diesen Paradiesen mal wieder der Vulkanismus.
Der Vulkanismus hat wie angedeutet auch seine Schattenseiten für die Biosphäre. Schließlich werden Massenaussterben oft damit verbunden. Ohne intensiv vorgreifen zu wollen in die Beiträge ” Vulkane und Massenaussterbeereignisse” sowie “Vulkane und der Klimawandel” nenne ich an dieser Stelle einfach nur Flutbasalte und Supervulkane. Daher möchte ich als etwas anderes Bespiel für Vernichtung von Leben durch Vulkanismus auf die weitgehend unbekannte Laki-Katastrophe von 1783-1784 auf Island eingehen:
Vom 08.06. 1783 bis zum 07.02.1784 brachen 115 Kraterkegel längs der 27 km langen Lakagígar-Eruptionsspalte zusammen mit dem Grimsvötn-Vulkanfeld aus und bedeckten eine Fläche von 565 Quadratkilometern mit Lava (3/4 von Hamburg). Aus Eiskernuntersuchungen geht hervor, dass 100 Millionen Tonnen Schwefelsäure-Aerosole freigesetzt wurden, deren Himmelsverfärbungen bis Moskau und Nordafrika gereicht haben. Es ist bis heute die größte Lavamasse, die mit Ausnahme von Flutbasalten je gefördert wurde und zusammen mit der genannten Eruption des Tamboras die stärkste (aber dennoch kurzzeitige) Klimaveränderung, die durch Vulkanismus in den letzten 2000 Jahren ausgelöst wurde. Lokal wurde berichtet, dass Säure-Regen u.a. Schafe förmlich wegätzte und Vögel in Massen vom Himmel regneten. Hungersnot und Missernten auf der ganzen Nordhemisphäre waren in den nächsten drei Jahren die Folge, ein Fünftel der isländischen Bevölkerung überlebte nicht und die durschnittliche Temperatur der Nordhalbkugel sank um 1,3 °C . Asche hingegen wurde vergleichsweise wenig ausgestoßen, allerdings ließ sie in England Insekten und Pflanzen verenden.
Diese Katastrophe “biblischen Ausmaßes” demonstriert, wie sehr und wie schnell Vulkanismus auch das Leben beenden kann. Im Vergleich zu Eruptionen von Supervulkanen oder Flutbasalt-Ergüssen ist dies jedoch noch sehr untertrieben.
Vulkanismus und die Lithosphäre:
Plattentektonik und Vulkanismus sind eng vernetzt (an dieser Stelle verweise ich gern an Herrn Gindorf), daran besteht kein Zweifel. Nicht so geläufig ist aber, dass an den MORs die ozeanische Kruste ensteht, weil eine Druckentlastung auf den Meeresboden eine Art Sog verursacht, so basaltische Schmelze aufsteigen und in Kontakt mit dem Meerwasser erstarren. So entsteht an jedem MOR der Ozeane stetig neue Kruste. Das ist auch nötig, da sie nach etwa 200 Millionen Jahren an den Rändern der Ozeane subduziert und im Erdmantel wieder aufgeschmolzen wird.
Natürlich prägt Vulkanismus auch die Morphologie der Kontinente, nämlich durch die Vulkane bzw. Vulkanketten selbst, Plutone, die wie der Zuckerhut in Rio de Janeiro durch die Erdkruste stoßen oder durch vulkanische Reste, die aufgrund ihrer Beschaffenheit nicht so schnell erodieren wie das umgebende Gestein (z.B. Dikes wie der Shiprock in New Mexico). Erwähnenswert und intensiv beim Kollegen Lehmann themastisiert sind auch die vulkanischen Lagerstätten, deren Entstehung auf das Einbringen der vielen chemischen Verbindungen und damit einhergehenden Minerale in die Erdkruste durch Vulkanismus zurück zu führen ist.
Vulkanismus und die Kryosphäre:
Im Zusammenhang mit der Kryosphäre, also der Gesamtmasse an Eis, verbindet man Vulkanismus nicht zwangsläufig und hier Verknüpfungen zu finden ist zugegeben schwieriger. Dennoch möchte ich auf drei Bespiele eingehen:
Zum einen gibt es gerade in den Polarregionen Vulkane, die unter einem Gletscher liegen. Deren subglaziale Eruptionen ähneln vom Prinzip her den Phreatischen (Erinnerung: Wasser und Magma führen zu sehr kräftigen Eruptionen), lassen die aufliegende Eismasse logischerweise schmelzen und u.a. entstehen charakteristische Vulkanite, die sog. Hyaloklastite. Im Umkehrschluss bedeutet das Finden dieser besonderen, erkalteten Lava, dass es einmal einen Gletscher gegeben haben muss. Sie sind also für paläoklimatologische Betrachtungen durchaus relevante Gesteine. Rezente Beispiele für diese Art von Vulkanen sind z.B. der Mount Erebus in der Antarktis oder auch der Eyjafjallajökull-Komplex, welcher Europa 2010 demonstrierte, wie schnell man den Flugverkehr mit Asche lahm legen kann.
Das zweite Beispiel ist die Zeit zwischen der Snowball Earth vor ca. 580 Millionen Jahren und dem Auftreten der ersten erhaltungsfähigen Organismen im Kambrium etwa 40 Millionen Jahre später (aufgrund ihrer harten Schalen). Betrachtet man hier den Vulkanismus, der das Eis schmelzen ließ und die Erde im Laufe der Zeit extrem aufheizte und die Vorstellung, dass das Eis viel Gestein auf dem Festland mechanisch zerkleinerte aber auch am Austausch mit der Atmosphäre hinderte, kann man den Beginn einer alles verändernden Kettenreaktion erkennen:
Die Folge war ein Unschwenken in ein Hot House mit einem hohen Gehalt an Kohlenstoffdioxid (etwa 34 %) in der Atmosphäre, was die Verwitterung an Land, bedingt durch das massenreich gelöste Gestein, förderte. Zusammen mit der Theorie, dass der heute allgegenwärtige Kochsalz-Ozean jetzt erst existierte, erklärt dies, dass schon vorhandene marine Weichtiere auch aufgrund von Räuber-Beute-Beziehungen gelöstes Kalzium in ihren Körpern anhäuften. Da sie mit den neu entwickelten Hartteilen nicht mehr so leicht gefressen werden konnten, gab es eine Art Anpassungsdruck innerhalb weniger Millionen Jahre.
Diese rasante Evolution brachte alle heutigen Tierstämme zu Tage und wird wegen der “relativ” kurzen Zeit in der dies geschah auch die Kambrische Explosion genannt.
Diese Argumentationskette war Gegenstand der Erdgeschichte-Vorlesung und zeigt wie der Vulkanismus eine Reihe von Mechanismen starten kann – und zwar mit erstaunlichen Folgen.
Zu guter letzt gehe ich darauf ein, dass der aktuelle Klimawandel, der ja bekanntlich die Eismassen schmelzen lässt, einen direkten Einfluss auf den Vulkanismus hat:
Der Meeresspiegel steigt, was bedingt durch das erhöhte Gewicht auf der ozeanischen Kruste, zu größeren Spannungen in der Erdkruste führt. Die Folge sind mehr Risse oder Spalten, durch die das eigentlich eingesperrte Magma zur Oberfläche, also den Vulkanbauten, steigen kann und vermehrt Eruptionen auslöst. Klar formuliert: Der Klimawandel führt zu mehr Vulkaneruptionen und in Kältephasen ist die Vulkan-Aktivität niedriger.
Diese Verknüpfung zwischen Kryosphäre und Vulkanismus entdeckten Forscher des Geomars als auch der Harvard Universität als sie bei Untersuchungen an zentralamerikanischen Aschelagen eine Korrelation zwischen Warmzeiten und intensiveren Vulkanismus verzeichnen konnten.
Ich hoffe, dass mit dieser Reise durch ein breites Feld an Aspekten und Beispielen eine verständliche und interessante Einleitung über den Vulkanismus im Erdsystem geschaffen wurde und daher verweise ich im Folgenden an die detaillierteren Beiträge meiner Kollegen.
Abbildungsverzeichnis:
http://www.wikiwand.com/de/Geosph%C3%A4re
https://www.planet-schule.de/wissenspool/geomorphologie/inhalt/hintergrund/die-alpen.html
„Vulkanismus“, 4. Auflage, 2013, H.-U. Schmincke, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, S. 225
„Vulkanismus“, 4. Auflage, 2013, H.-U. Schmincke, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, S. 186
„Vulkanismus“, 4. Auflage, 2013, H.-U. Schmincke, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, S. 67
„Die Erde“, 3. Auflage, 2015, P. Rothe, Theiss Verlag, S. 25
„Vulkangebiete der Erde“, 1. Auflage, 2007, H. Pichler, T. Pichler, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, S. 63
Literaturverzeichnis:
„Geologica“, 1.Auflage, 2008, R. R. Coenraads, J. I. Koivula, H.F. Ullmann
„Vulkanismus“, 4. Auflage, 2013, H.-U. Schmincke, Wissenschaftliche Buchgesellschaft
„Press / Siever Allgemeine Geologie“, 7.Auflage, 2017, J. Grotzinger, T. Jordan, Springer Spektrum
„Vulkangebiete der Erde“, 1. Auflage, 2007, H. Pichler, T. Pichler, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag
„Die Erde“, 3. Auflage, 2015, P. Rothe, Theiss Verlag
„Expedition Erde“, 4. Auflage, 2015, G. Wefer, F. Schmieder, „Marum – Zentrum für marine Umweltwissenschaften“
„Evolution der Erde“, 2. Auflage, 2018, W. Oschmann, Haupt Verlag
„Artensterben-Wendepunkte der Evolution“, 1. Auflage, 2016, N. Macleod, Theiss Verlag
Vorlesungskript „Vulkanismus und Globaltektonik“, WS 2017/18, Dr. K. Heyckendorf, Universität Hamburg
Mitschrift zur Vorlesung “Erdgeschichte”, SoSe 2018, Prof. Dr. Schmiedl, Universität Hamburg
„A detection of Milankovitch frequencies in global volcanic activity“, Kutterolf, Jegen , Kwasnitschka,
Freundt Geology 41 (2), pp. 227-230.
https://www.welt.de/print/wams/wissen/article112043791/Klimawandel-laesst-Vulkane-speien.html