Vulkanische Asche

Vulkanische Asche unter dem Mikroskop

Ausbreitung von isländischer Vulkanasche einer Eruption aus dem Jahr 1875 nach Skandinavien innerhalb von 24h

Der Begriff Vulkanische Asche bezeichnet in der Vulkanologie sehr kleine Pyroklasten beliebiger Form (< 2 mm), die bei einem explosiven Ausbruch eines Vulkans entstehen. Vulkanische Aschen bilden zusammen mit den vulkanischen Lapilli (>2 mm), den vulkanischen Bomben (> 64 mm, gerundet, ursprünglich geschmolzen) und den vulkanischen Blöcken (> 64 mm, eckig, zum Zeitpunkt des Auswurfs bereits fest) die pyroklastischen Sedimente. Diese werden auch Tephra genannt, wenn sie noch unverfestigt sind bzw. nach ihrer Verfestigung pyroklastische Gesteine.

Asche als Verbrennungsrückstand von organischem Material ist von anderer Zusammensetzung und hat mit der Definition von Asche im vulkanologischen Sinn nichts zu tun.

Definition und weitere Einteilung

Vulkanische Asche ist ausschließlich über die Korngröße definiert, d.h. die chemisch-mineralogische Zusammensetzung und die Form der Komponenten spielt keine Rolle. Der Begriff Asche im vulkanologischen Sinn bezeichnet einfach Pyroklasten, die kleiner als 2 mm sind. Vulkanische Asche besteht aus feinen Lava-Fetzen, Glasfragmenten, klein zerriebenem vulkanischem Gestein oder auch aus Einzelkristallen. Sie wird nach der Definition der IUGS (International Union of Geological Sciences) in

• grobe Asche (2 mm bis 1/16 mm) und
• feine Asche oder Aschenstaub (< 1/16 mm)

unterteilt.

Nach der älteren Unterteilung von Sohn und Cough (1989)^[1] kann auch eine Dreiteilung der Aschefraktion vorgenommen werden in:

• grobe Asche (1/2–2 mm)
• mittelfeine/mittelgrobe Asche (1/16–1/2 mm)
• feine Asche (feiner 1/16 mm)

Sie wird derzeit z.T. parallel zur obigen Empfehlung der IUGS noch benutzt.

Ablagerungen von vulkanischer Asche

Im Normalfall stellen vulkanische Aschen einen hohen Anteil an und innerhalb den pyroklastischen Sedimenten. Die lockeren pyroklastischen Sedimente werden auch als Tephra bezeichnet. Wenn diese verfestigt sind, sind es pyroklastische Gesteine,.

Wird vulkanische Asche verfestigt (lithifiziert) und zu einem pyroklastischen Gestein, wird dieses als Tuff oder genauer Aschen-Tuff bezeichnet. Der Begriff Tuff ist bzw. war in der Literatur jedoch mehrdeutig, deswegen ist der Begriff Aschen-Tuff vorzuziehen. Da ein pyroklastisches Gestein selten nur genau diese Kornfraktion enthält, muss ein Gestein lediglich mehr als 75 % Aschepartikel enthalten, um als Aschentuff bezeichnet zu werden. Es kann weiter in Grober Aschentuff und Feiner Aschentuff (oder auch Staubtuff) unterteilt werden.

Ein Lapilli-Tuff enthält dagegen weniger als 25 % vulkanische Bomben und Blöcke und mehr als 75 % Lapilli und Asche. Insgesamt müssen jedoch die Komponenten zu mehr als 75 % Pyroklasten sein. Eine Ablagerung, die weniger als 75 % Pyroklasten enthält, wird Tuffit genannt.

Auswirkungen vulkanischer Aschen auf das Klima

Dünen aus vulkanischer Asche an der Küste von Tavurvur, Rabaul, Papua-Neuguinea

Mount St. Helens, Washington.

Flug durch einen µCT-Bildstapel von isländischem Sand. Entnahmeort: Südspitze Islands. Es sind unterschiedliche Körnungen, Porösitäten und Dichten sichtbar.

Bei einer Vulkaneruption können gewaltige Mengen an vulkanischer Asche freigesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist der Inselvulkan Krakatau, der in der Sundastraße zwischen Java und Sumatra liegt. Als er am 27. August 1883 ausbrach, lieferte er 18 km³ Aschenpartikel, die bis zu 25 km hoch in die Erdatmosphäre geschleudert wurden und drei Jahre lang die Erde umkreisten. Vielerorts riefen sie Trübungsschleier, Dämmerungserscheinungen und Himmelsverfärbungen hervor. Hinzu kommen außerdem »Gewitter« innerhalb der Aschewolken: Die Ascheteilchen werden durch die Reibung elektrostatisch aufgeladen, dadurch kommt es zu Blitzen und gewitterähnlichen Erscheinungen, bei denen sich die Ladungsunterschiede abbauen.

Noch extremere Auswirkungen hatte die Explosion des Tambora im Jahre 1815. Dabei wurde so viel Asche und Aerosol in die Atmosphäre geschleudert, dass weltweit auf Jahre hinaus das Klima beeinflusst wurde. Das darauf folgende Jahr 1816 ging sogar als das Jahr ohne Sommer in die Geschichte ein.

Bodenkunde

Vulkanische Aschen besitzen dank ihres Mineralgehalts einen hohen bodenverbessernden Wert. In günstigen Klimata können sie bereits nach wenigen Jahren landwirtschaftlich genutzt werden.

Gefahren für den Luftverkehr

Vulkanasche stellt - zumindest in größeren Konzentrationen - eine gravierende Gefahr für die Luftfahrt dar. Im Zeitraum von 1973 bis 2000 wurden ca. 100 Begegnungen von Luftfahrzeugen mit Aschewolken dokumentiert. Schadensereignisse reichen dabei in bis zu 3300 km Entfernung vom Vulkan.^[2] Die schwersten Zwischenfälle waren Triebwerksausfälle im Flug, wofür 7 Fälle^[3]S.23 gezählt sind. Jedoch führte bisher noch kein Ereignis zu einem Absturz^[3]. Der Gesamtschaden aller Ereignisse wird mit einer Viertelmilliarde Dollar beziffert.^[4]S.1

Über die tatsächliche Gefahr, die von Vulkanasche für Flugzeuge ausgeht, herrschte bis über den Ausbruch des Eyjafjallajökull 2010 hinaus hohe Unklarheit. Einerseits sind Aschewolkendurchflüge mit fast katastrophalem Ausgang bekannt, andererseits auch solche ohne Auffälligkeit.

Folgende gefährliche Wirkungen von Vulkanasche insbesondere auf Verkehrsflugzeuge werden angeführt:

Sandstrahleffekt

Durch die hohe Fluggeschwindigkeit wirken die Aschepartikel wie ein Sandstrahlgebläse. Dies gilt vor allem für große Partikel, die allerdings wegen ihres Gewichts relativ schnell zu Boden sinken und daher keine große Ausbreitung erfahren.

• Scheiben: Durch den Aufprall der Aschepartikel können die Scheiben des Flugzeugs so weit undurchsichtig werden, dass keine Sicht aus dem Cockpit mehr besteht.^[5] Dieses Problem kann gegebenenfalls durch Instrumentenflugverfahren beherrscht werden.
• Tragflächen: auch eine aerodynamische Beeinträchtigung der durch die Aschepartikel aufgerauhten Tragflächen mit Auswirkung auf die Sicherheit wird teilweise für möglich gehalten.^[5]

Triebwerke

Beim Durchfliegen von vulkanaschehaltiger Luft können Triebwerke beschädigt werden und zeitweise oder vollständig ausfallen, abhängig von der Art und Dichte der Aschewolke und der Dauer des Durchflugs. Triebwerksversagen wurden für Abstände von ca. 300 bis 1000 km zu vulkanischen Quellen dokumentiert. Schadensberichte erwähnen Entfernungen vom Vulkan von bis zu 1000 km.^[3] Für das Triebwerksversagen im Detail nennen Fachkreise zweierlei Ursachen:

• Wirkungen der Asche im Triebwerk: Überwiegend wird davon ausgegangen, dass der Triebwerksausfall durch Aschepartikel im Triebwerk verursacht wird:
  Während Vulkanasche, wenn sie viel Silikat enthält, bereits unterhalb von 1000 °C schmelzen kann,^[6] herrschen in einem Triebwerk oft höhere Temperaturen (bis zu 2500 °C, typischer Wert z. B. 1400 °C^[7]). In der Brennkammer geschmolzene Asche setzt sich dann beim Abkühlen auf Triebwerksschaufeln ab. Man nimmt an, dass dies die Strömungsverhältnisse entscheidend stören kann.^[8]
  Weiter sollen auch die Kühlluftbohrungen blockiert werden können. Da nur durch diese Kühlluft die Temperatur der Triebwerksschaufeln unter ihrer eigenen Schmelztemperatur gehalten wird, wäre hierdurch ein Versagen des Triebwerks unvermeidlich.^[9][10]
  Außerdem führt die Asche zu Erosionen an den Turbinenschaufeln (Sandstrahleffekt).^[11]
  Von Triebwerksherstellern wird allerdings darauf hingewiesen, dass die Triebwerke zumindest auf die Einwirkung von Sand ausgelegt und getestet sind.^[12][13] Jedoch soll die erosive Wirkung von Vulkanasche 4-mal höher sein als die von Quarzsand. ^[14]S.351
• Sauerstoffmangel: Als mögliche Ursache wird statt der Asche selbst Sauerstoffmangel innerhalb der Vulkanaschewolke angegeben, welcher zum Flammabriss führen soll.^{[15] [13][12] [16]}
  Nicht erwähnt wird diese These in älteren Dokumenten, wie etwa in einem NASA-Bericht von 2003.^[4].

Sensoren

Es besteht die Gefahr, dass durch die Asche die Sensoren für Geschwindigkeit und Höhe verstopfen,^[5] was unmittelbar gefährlich werden kann^[17], da Flugzeuge außerhalb eines definierten Geschwindigkeitsbereichs in unkontrollierbare Flugzustände geraten, wobei dieser sichere Bereich mit steigender Höhe immer kleiner und zum so genannten Coffin Corner wird.

Vereiste Aschepartikel

Es wird vermutet, dass unter Umständen, wo von Vulkanen ausgestoßene Asche von viel Wasser begleitet wird, dies dazu führt, dass die Aschepartikel als Kondensationskeime in entsprechender Höhe weitgehend von Eis umhüllt sind. Dies wurde beim NASA-Flug im Jahr 2000 als mögliche Erklärung dafür angesehen, warum zwar (nachträglich entdeckte) sehr kostenintensive Triebwerksbeschädigungen zu verzeichnen waren, jedoch keine Beschädigungen der Flugzeughülle oder Scheiben.^[4]S. 17

Bisherige Ereignisse

Der erste schwerwiegende Vorfall war der vorübergehende Ausfall eines Triebwerks an einer Lockheed C-130 am 25. Mai 1980 bei einem Erkundungsflug über dem Mount St. Helens in Washington, USA in der Folge des Ausbruch des Mount St. Helens vom 18. Mai 1980. Sieben weitere Flugzeuge wurden in den Wochen nach der Eruption durch Abrieb äußerlich und an den Triebwerken beschädigt.^[18]

Am 24. Juni 1982 geriet der British-Airways-Flug 9, eine Boeing 747-200, über dem Indischen Ozean in einer Flughöhe von 37.000 ft (ca. 11.300 m) südlich der indonesischen Insel Java in eine Wolke aus Asche des Vulkans Gunung Galunggung. Dies führte zu einem Ausfall aller vier Triebwerke. Erst nach einem Sinkflug in dichtere Luftschichten in etwa 4000 Metern Höhe gelang es der Besatzung, die Triebwerke wieder in Gang zu setzen und eine Notlandung in Jakarta durchzuführen.

Am 15. Dezember 1989 passierte Vergleichbares mit KLM-Flug 867 über dem Mount Redoubt in Alaska. Alle vier Triebwerke der Boeing 747-400 fielen aus, die Maschine ging in den Sinkflug und erst nach einem Höhenverlust von rund 3000 m konnten die Triebwerke außerhalb der Wolke neu gestartet werden. Die Maschine landete anschließend in Anchorage, Alaska, dem ohnehin vorgesehenen Zielflughafen.^[19]

2000: Von der NASA wurde ein Flug dokumentiert,^[4] bei dem im Februar 2000 ein Messflugzeug 7 min lang durch eine Aschewolke flog. Hierbei wurde von den Piloten keinerlei technische Auffälligkeit registriert. Allein die Messinstrumente zeichneten in diesem Zeitraum das Vorhandensein von Vulkanasche auf. Im Bericht ist beschrieben, dass für diesen Zeitraum der Sternenhimmel nicht sichtbar war.^[4]S. 11,19 Jedoch wurden bei späteren Inspektionen Beeinträchtigungen entdeckt, die zur Überholung aller 4 Triebwerke führte. Der hierbei entstandene Schaden betrug 3,2 Millionen $.

Der Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull ab dem 14. April 2010 führte ab dem 15. April zu einer mehrtägigen, weitgehenden Einstellung des Flugverkehrs über Nordeuropa und weiten Teilen Mittel- und Osteuropas und somit zu volkswirtschaftlichen Schäden in Höhe von mehreren Milliarden Euro. Am 16. April 2010 waren in der Bundesrepublik Deutschland erstmals in der Geschichte alle zivilen Flughäfen für den Flugbetrieb nach Instrumentenflugregeln gesperrt.

Überwachung des Luftraums

Ab dem Jahr 1993 wurden durch die ICAO neun Volcanic Ash Advisory Center eingerichtet, die weltweit den Luftraum auf Vulkanasche überwachen und falls notwendig den Luftverkehr warnen.

Grenzwerte

Zwar sind die Vulkanaschewarnzentralen seit Jahren aktiv, jedoch wurden offenbar nie verbindliche Aussagen getroffen, in welchen Konzentration aschehaltige Luft eine konkrete Gefahr für Verkehrsflugzeuge darstellt. Stattdessen ging man immer von ‚der Aschewolke‘ aus. Diese Situation galt noch bis zum Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull im April 2010, was zu umfangreichen, im nachhinein kritisierten, Sperrungen von Lufträumen und tagelangen Komplettausfällen im Luftverkehr führte.

Am 20. April 2010 wurde daraufhin von der britischen Civil Aviation Authority erstmalig ein verbindlicher Grenzwert verkündet. So gelten Einschränkungen für den britischen Luftraum nur noch da, wo ein Wert von 2 Milligramm Vulkanasche pro Kubikmeter Luft überschritten wird.^[20] Dieser Wert wurde über Mitteleuropa durch den Ausbruch des Eyjafjallajökull zu keiner Zeit auch nur annähernd erreicht.

Drei-Zonen-Modell der Europäischen Flugsicherung Eurocontrol

Zone	Konzentration	Regelung
3	>2 mg/m³	Flugverbot im Umkreis von 110 km
2	0,2–2 mg/m³	erhöhte Wartungsintervalle
1	<0,2 mg/m³	keine Einschränkungen

Am 4. Mai 2010 einigten sich die EU-Verkehrsminister auf eine 3-Zonenregelung. Flugverbote gelten hierbei für Bereiche mit über 2 Milligramm Vulkanasche pro Kubikmeter einschließlich eines Sicherheitsabstandes von 110 km (Zone 3). Zwischen 2 und 0,2 mg/m³ gelten verschärfte Wartungsintervalle (Zone 2). Unterhalb von 0,2 mg/m³ gibt es keine Einschränkungen (Zone 1).^[21]

Warneinrichtungen in Flugzeugen

Zur Zeit sind Detektoren, mit denen Vulkanasche aus dem Cockpit heraus erkannt werden kann, praktisch nicht verfügbar. Das eingebaute Wetterradar kann die Aschepartikel nicht erkennen, da sie zu klein sind.^[4]S.3

Quellen

Einzelnachweise

1. ↑ Y. K. Sohn und S. K. Chough: Depositional processes of the Suwolbong tuff ring, Cheju Island (Korea). Sedimentology 36, 837–855, 1989
2. ↑ Anhörung zum KLM-Flug_867 S.5
3. ↑ ^{a b c} USGS Volcano Hazards Program Site: transportation #aircraft
4. ↑ ^{a b c d e f} Engine Damage to a NASA DC-8-72 Airplane From a High-Altitude Encounter With a Diffuse Volcanic Ash Cloud
5. ↑ ^{a b c} spiegel.de: Gefährliche Aschewolken - Alptraum aller Piloten 15. April 2010
6. ↑ Spiegel-online: Vulkanasche schwebt in 3,5 bis 6 Kilometer Höhe 20. April 2010, Zitate von Carsten Münker, Vulkanologe an der Universität Köln
7. ↑ Flugzeugtriebwerke: Grundlagen, Aero-thermodynamik, Kreisprozesse ... Von Willy J. G. Bräunling
8. ↑ CNN: Explainer: Why ash cloud endangers aircraft April 16, 2010
9. ↑ Flightglobal ASH CLOUD: CFM details engine risks from volcanic ash
10. ↑ Engine Damage to a NASA DC-8-72 Airplane From a High-Altitude Encounter With a Diffuse Volcanic Ash Cloud S.2
11. ↑ Engine Damage to a NASA DC-8-72 Airplane From a High-Altitude Encounter With a Diffuse Volcanic Ash Cloud S.16
12. ↑ ^{a b} tagesschau.de "Gefahr für Flugzeuge und Klima" (nicht mehr online verfügbar)Stand: 15. April 2010 18:58 Uhr
13. ↑ ^{a b} Focus: "Sauerstoff ist das Problem"
14. ↑ JOURNAL OF PROPULSION AND POWER Vol. 22, No. 2, March–April 2006 Erosion and Deposition in Turbomachinery
15. ↑ nachrichten.t-online.de: „Wie Vulkanasche den Flugverkehr gefährden kann“ 15. April 2010
16. ↑ ftd.de: „Umkehren und sofort raus“
17. ↑ vergleiche hierzu auch Birgenair-Flug 301
18. ↑ ICAO: Manual on Volcanic Ash, Radioactive Material and Toxic Chemical Clouds (Doc 9691) DRAFT. Seiten 109, 112
19. ↑ Boeing: Aeromagazine No. 9, 1999
20. ↑ sueddeutsche.de: 'Unnötige Flugverbote' 22. April 2010
21. ↑ Welt.de: EU einigt sich auf Grenzwerte für Vulkanasche 4. Mai 2010

Literatur

• Roger Walter Le Maitre: Igneous rocks: IUGS classification and glossary; recommendations of the International Union of Geological Sciences, Subcommission on the Systematics of Igneous Rocks. 2. Auflage. Cambridge University Press, New York, NY 2002, ISBN 0-521-66215-X (236 Seiten).
• Hans Pichler: Italienische Vulkangebiete III, Lipari, Vulcano, Stromboli, Tyrrhenisches Meer. In: Sammlung geologischer Führer. 69, Gebrüder Bornträger, Stuttgart 1981, ISBN 3-443-15028-4.

Weblinks

 Commons: Vulkanische Asche – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Prof. Reinhard Mönig, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt: Gefahren für die Triebwerke
• Horrorflug durch Vulkanasche
• Gefahr durch vulkanische Asche (USGS) (englisch)