Wenn sich die richtigen Bedingungen auf einmal vereinen, können riesige elektrische Ströme in den Aschewolken eines Vulkanausbruchs gefunden werden. Die Entladungen verursachen das einzigartige und atemberaubende Phänomen des vulkanischen Blitzes. Bildnachweis: Ivan Alvarado / Reuters.

Wie machen Vulkane Blitze?

Die Wissenschaft der Vulkanbeleuchtung ist fast so spektakulär wie das Phänomen selbst.

Wenn sich heißes, geschmolzenes Gestein durch die Erdkruste nach oben drängt und an die Oberfläche austritt, kommt es häufig zu einem Vulkanausbruch. Diese Eruptionen treten manchmal durch langsame und stetige Strömungen auf, zeigen sich jedoch häufig in großen Aktivitätsschüben. In letzterem Fall werden in kürzester Zeit große Mengen Asche, Staub, Gestein, flüchtige Gase und Lava ausgestoßen. Während wir uns diese als die Hauptmerkmale eines Vulkans vorstellen können, gibt es oft einen großartigen visuellen Anblick, der diese begleitet: vulkanische Blitze. Obwohl nicht jeder Ausbruch diese atemberaubende Lichtshow hervorruft, wurde sie von Menschen seit unzähligen Generationen beobachtet und aufgezeichnet. Mit unserem fortgeschrittenen Verständnis der Physik und der physikalischen Wissenschaften verstehen wir nun endlich, wie es produziert wird.

2015 ist der chilenische Vulkan Calbuco zum ersten Mal seit 42 Jahren wieder ausgebrochen. Obwohl der Anblick eines vulkanischen Blitzes wunderschön sein mag, verursacht der Ausbruch selbst erhebliche Schäden und weitverbreitete Verwüstungen. Bildnachweis: Jose Mancilla / LatinContent / Getty Images.

Magma, der unterirdische Vorgänger der Lava, kann sich auf vielfältige Weise bilden. Magma-Taschen befinden sich tief im Erdmantel und entspringen so tief wie der flüssige äußere Erdkern. Sie entstehen jedoch auch aus der Kruste, die über die Oberseite des Erdmantels gleitet. So oder so, wenn flüssiges Gestein, das auf Tausende von Grad erhitzt wurde, bis zur Kruste aufsteigt, kann es an einigen ausgewählten Schwachstellen bis zur Oberfläche durchbrechen. Wenn dies geschieht, entsteht nicht nur Lava, sondern es treten häufig große Mengen an Ruß und Asche auf. Und gelegentlich, wenn das Rezept stimmt, auch blitzschnell.

Die Kombination von Lava, Hitze und Aschewolken ist ein verlässliches Rezept für vulkanische Blitze, obwohl die Physik ihrer Funktionsweise es erfordert, auf die molekulare oder sogar subatomare Ebene zu gehen. Bildnachweis: Marco Restivo / Demotix / Corbis.

Vulkanische Blitze treten anscheinend am häufigsten in der Umgebung von Vulkanen mit großen Aschewolken auf, insbesondere in aktiven Phasen des Ausbruchs, in denen fließende, geschmolzene Lava die größten Temperaturgradienten erzeugt. Die Phänomene des Blitzes wurden in jüngster Zeit bei einer Reihe von Vulkanausbrüchen, darunter Eyjafjallajökull (Island), Sakurajima (Japan) und Mt. Ätna und Chiles Vulkane Puyehue, Calbuco und Chaiten. Aber was Sie vielleicht nicht wissen, ist, dass dieses Phänomen nicht nur während des Berges erfasst wurde. Der letzte Ausbruch des Vesuvs im Jahr 1944, der jedoch vor fast 2.000 Jahren genau beschrieben wurde, als er bereits im Jahr 79 ausbrach!

Der Ausbruch von Chaiten im Jahr 2008 verursachte eine große Menge vulkanischer Blitze, aber dies ist kein neues oder seltenes Ereignis. Vulkanische Blitze sind seit vielen Jahrzehnten fotografisch dokumentiert und seit Jahrtausenden historisch dokumentiert. Bildnachweis: US Air Force (Einschub), Carlos Gutierrez (Haupt).

Jeder Blitzschlag ist der Austausch von etwa 1020 Elektronen oder - in Langform - von 100.000.000.000.000.000.000 geladenen Teilchen. Sie sind vielleicht daran gewöhnt, dass Atome neutral sind, mit der gleichen Anzahl von Elektronen wie Protonen in ihren Kernen, aber Wärme und Reibung machen es Atomen überraschend leicht, Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren und sie in Ionen umzuwandeln. Bei den Temperaturen, die Vulkane erreichen, ist es energetisch günstig, dass ein Atom ionisiert wird, wo es entweder ein Elektron (oder zwei oder drei) aufnimmt oder verliert. Wir müssen diese Extreme auf keinen Fall überwinden, um Ionen zu finden. Etwas so Einfaches wie das Reiben Ihrer Wollsocken gegen den Teppich ist ein Beispiel für die Übertragung von Elektronen und die Erzeugung von Ionen.

Wenn zwei verschiedene Materialien wie Stoff und Kunststoff aneinander gerieben werden, kann die Ladung von einem zum anderen übertragen werden, wodurch eine Nettoladung für beide Objekte entsteht. In diesem Fall wird das Kind aufgeladen und die Auswirkungen statischer Elektrizität können in seinem Haar (und im Haar seines Schattens) beobachtet werden. Die Gebühr der Folie kann nicht beobachtet werden. Bildnachweis: Ken Bosma / flickr.

Wenn Sie nun diese Ionen voneinander trennen können, erzeugen Sie eine Ladungstrennung, die eine Spannung erzeugt. Wenn die Spannung zwischen zwei Regionen zu groß wird - auch wenn sich nur Luft zwischen ihnen befindet -, wird sie spontan leitend, was zu einem Zusammenbruch des Materials zwischen diesen entfernten Regionen führt. Es kommt zu einem extrem schnellen Ladungswechsel, und das sehen Sie als Blitzschlag an! Insgesamt hat es in den letzten Jahrhunderten mehr als 150 verschiedene Ausbrüche gegeben, bei denen vulkanische Blitze registriert wurden.

Einer der zahlreichen fotografischen Vulkanblitze wurde vor wenigen Jahren von Marco Fulle bei einem nächtlichen Ausbruch mit einem Hubschrauber festgehalten. Bildnachweis: Marco Fulle / Sternwarte von Triest.

So kompliziert dieses Phänomen auch zu sein scheint und so schwierig es ist, vorherzusagen, unter welchen Umständen es eintreten wird und unter welchen Umständen es nicht eintreten wird, Sie müssen wirklich nur drei Schritte ausführen, um es zu verwirklichen. Hier ist die Wissenschaft, wie Vulkane Blitze erzeugen:

Ionen verschiedener Arten und Ladungen können leicht bei hohen Temperaturen erzeugt werden und wenn eine Vielzahl von Partikeln unterschiedlicher Zusammensetzung miteinander in Wechselwirkung treten. Ein Vulkanausbruch ist hierfür ein ideales Umfeld. Bildnachweis: Ken Costello.

1.) Beginnen Sie mit einer Fülle von positiven und negativen Ionen. Die Kombination von Wärme (aus typischen vulkanischen Temperaturen von 1500 K) und der unterschiedlichen Zusammensetzung der von einem Vulkan entdeckten Partikel sorgt dafür, dass ein erheblicher Teil der Partikel, die aus dem Vulkan austreten, nicht neutral ist. Elektronen können relativ leicht von einigen Molekülen abgestoßen und von anderen absorbiert werden. Für die einzelnen Aschepartikel, die herauskommen, sind viele positiv geladene Ionen und viele negativ geladene Ionen. Je heißer ein Vulkan ist und je heftiger der Ausbruch, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, vulkanische Blitze zu sehen.

Beachten Sie im obigen Video, dass der vulkanische Blitz nur erscheint, wenn das Material mit der höchsten Temperatur - die tatsächlich fließende Lava - am Boden der Aschefahnen sichtbar wird. Zusätzlich zu den Zeichen der Ladungen, die sich voneinander unterscheiden, müssen sie auch unterschiedliche Molekulargewichte (oder Atomgewichte) sowie unterschiedliche physikalische Größen (oder Querschnitte) aufweisen. Dies ist äußerst wichtig, da es den zweiten wesentlichen Schritt ermöglicht.

Radien einiger Elemente als neutrale Atome und von diesen Atomen abgeleitete Kationen (rot) und Anionen (blau). Radien sind in Pikometern angegeben. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Popnose.

2.) Trennen Sie die negativen von den positiven Ladungen. Neutrale Atome haben unterschiedliche physikalische Größen, und geladene Atome (und Moleküle) haben diesen Unterschied sogar mehr als übertrieben. Es gibt auch signifikante Masseunterschiede zwischen verschiedenen Atomen und Molekülen, was wichtig ist, da ein leichteres Teilchen bei gleicher Energiemenge schneller wird. Und schließlich gibt es auch einen Temperaturgradienten, bei dem die gerade austretenden Partikel höhere Temperaturen haben als die, die seit einiger Zeit in der Atmosphäre sind.

Die Zahlendichte versus Geschwindigkeitsverteilung für Partikel unterschiedlicher Temperatur (links) und unterschiedlicher Masse (rechts). Bildnachweis: Phong Dao und Julie Quattrocchi / UC Davis ChemWiki.

Diese Kombination verschiedener Temperaturen und verschiedener Massen verleiht diesen Ionen unterschiedliche Geschwindigkeiten. In turbulenten Umgebungen können kleinere und leichtere Partikel in der Regel über größere Entfernungen transportiert werden, sodass sich Ladungen über große Entfernungen leichter trennen lassen.

Eine schrittweise Darstellung der Funktionsweise der Physik vulkanischer Blitze. Erst wenn alle vorherigen Schritte nacheinander ausgeführt wurden, kann es zu einem Blitzschlag kommen. Bildnachweis: Brentwood Higman / E. Siegel.

3.) Eine ausreichend große Menge getrennter Ladungen fließt von selbst und erzeugt einen Blitz. Getrennte, große Ladungszahlen erzeugen eine Spannungsdifferenz. Wenn Sie einen hinreichend großen Unterschied zu einem Raum haben, der Material enthält, selbst wenn es sich um ein isolierendes oder äußerst spärliches Material wie Luft handelt, wird eine elektrische Entladung erzeugt, was ein Blitzschlag ist!

Ein einziger Blitzschlag tritt häufig zwischen zwei getrennten Punkten auf, da eine große Anzahl von Elektronen über ein Medium ausgetauscht wird, das so dünn wie freie Luft sein kann. Dieser Schlag gegen Sakurajima in Japan ist einer der hellsten Einzelschläge, die jemals verzeichnet wurden. Bildnachweis: Asahi Shimbun / Getty Images.

Das ist es! So funktioniert der vulkanische Blitz. Kombinieren Sie diese Dinge: Ionen unterschiedlicher Masse (und Ladung), die sich mit unterschiedlichen Durchschnittsgeschwindigkeiten mit unterschiedlichen Querschnitten in einer Umgebung mit einem Temperaturgradienten bewegen, und es gibt Ihr Rezept für eine Ladungstrennung. Holen Sie sich eine ausreichend große Ladungstrennung über die richtige Distanz, und das wird Ihnen einen Blitzschlag versetzen. Das ist der Ursprung des vulkanischen Blitzes.

Der Vulkan Puyehue in Chile, der vor einigen Jahren in diesem Bild ausbrach, ist ein bahnbrechendes Beispiel für einen vulkanischen Gewittersturm, bei dem in relativ kurzer Zeit eine außerordentliche Anzahl von Schlägen stattfand. Bildnachweis: Francisco Negroni / AP.

Es gibt immer eine Reihe von Details, die wir ergänzen müssen, um genau zu verstehen, wie dies bei jedem einzelnen Vulkanausbruch geschieht. Zu den ungelösten Fragen gehören:

  • warum es manchmal in der virtuellen Abwesenheit von Aschewolken auftritt,
  • warum viele Schläge in Bursts auftreten, während andere bei relativ konstanten Frequenzen auftreten,
  • und warum manche Vulkane es anscheinend gar nicht haben.

Aber dieses grundlegende Bild ist unwiderlegbar und hat uns einige spektakuläre Sehenswürdigkeiten für die ganze Welt geboten. Vulkanische Blitzereignisse können einmalig sein oder die Streiks können Minuten, Stunden oder sogar mehrere Tage dauern.

Wenn ein Zeitrafferfoto eines ausbrechenden Vulkans aufgenommen wird, ist es häufig möglich, viele unabhängige Blitzeinschläge zu erfassen, die von einer einzelnen Vulkanaschewolke ausgehen. Bildnachweis: Carlos Gutierrez / Reuters.

Wenn Sie die Fototechniken Stapeln oder Zeitraffer verwenden, können Sie häufig mehrere Schläge in einem einzelnen zusammengesetzten Foto sehen, von denen viele Dutzende oder sogar Hunderte einzelner Blitze enthalten. Während sich die Ladungen bewegen, ist jeder einzelne Schlag anders, aber die Physik ist universell. Alles, was es braucht, ist Wärme, Ionisation, eine Vielzahl von Molekülen und Transport, und wenn sich genügend Ladung über die richtige Entfernung verteilt, treten elektrische Entladungen auf. So macht man Vulkanblitze und das spektakuläre Ergebnis ist einzigartig auf der Welt.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.