Ein wichtiges Ziel der Kooperation besteht darin, zukünftig bessere Vorhersagen zu Vulkanaktivitäten durch komplementäre geochemische Messungen, die für ein ganzheitlicheres Bild sorgen, treffen zu können. Bei diesen Messungen kommen die Instrumente von INFICON zum Einsatz, mit denen etwa austretende Gase aus dem Erdreich stoffspezifisch detektiert werden. INFICON ermöglicht es neben den herkömmlichen Gasen wie CO2, H2S, SO2 und Wasserdampf auch die Edelgasmessung wie beispielsweise Helium direkt am Ort des Geschehens in einer Dauerüberwachung durchzuführen.
Vulcano: Schauplatz einer außergewöhnlichen Vulkanforschung
Die Insel Vulcano ist eine von sieben bewohnten Liparischen Inseln im Tyrrhenischen Meer. Gelegen vor der Nordküste Siziliens und benannt nach dem römischen Gott Vulkan, ist das Eiland für seine vulkanische Aktivitäten und den charakteristischen Schwefelgeruch bekannt. Seit Juni 2022 ist Vulcano zudem der Schauplatz eines Forschungsvorhabens, bei dem die Wissenschaft und der Vulkanismus zu einem außergewöhnlichen Projekt verschmelzen. „Und die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind über die Vulkanforschung hinaus von großer Bedeutung für künftige Generationen und ihre Umwelt“, verdeutlichen Professor Andres Diaz und Josef Grenz.
Wertvolle Fortschritte zur Vulkanüberwachung
Für ihren Einsatz haben sich die Forscher mit einem Team von INFICON aus den Standorten Syracuse und Köln sowie mit Vertretern internationaler Institutionen zusammengeschlossen: Dazu zählen das INGV (Italienisches Nationales Institut für Geophysik und Vulkanologie), das die Einladung zu dieser Feldforschungs-Kampagne initiiert hat, sowie die NASA, ESA und ASI für den Vergleich mit Satellitenfernerkundungsdaten. Das Ziel der Gruppe ist eindeutig formuliert: Fortschritte bei der Vulkanüberwachung zu erzielen und dazu beizutragen, Zivilschutzprotokolle für Menschen zu erstellen, die in der Nähe aktiver Krater leben.
Flüssiges Magma kann auf Ausbruch hindeuten
Daraus resultieren neue, wertvolle Erkenntnisse über diejenigen Parameter, die notwendig sind, um auf der einen Seite gefährliche Vulkanausbrüche kontinuierlich überwachen zu können und auf der anderen Seite die Phasen der vulkanischen Aktivität zu verstehen. „Die geochemische Überwachung der freigesetzten Gase ist ein Werkzeug zur Quantifizierung der Menge des ausgasenden Magmas. Damit lässt sich also indirekt auf die vorhandene Menge an Magma schließen“, berichten die italienischen Forscher Fabio Vita, Salvatore Inguaggiato und Lorenzo Calderone vom INGV Geological Institute aus Palermo. Alleine auf der Grundlage des Zustands und der Lage der Gesteinsschmelze kann die potentielle Gefahr eines Ausbruches exakter kategorisiert werden; denn Magma sucht sich bei steigendem Druck immer seinen Weg nach oben in Richtung Erdoberfläche.
Robuste Instrumente notwendig
Bei dem anspruchsvollen Vorhaben verlassen sich die Wissenschaftler auf die Geräte und das Know-how der INFICON-Spezialisten – nicht zuletzt, um zuverlässige Tools an der Hand zu haben. Die Instrumente werden entweder direkt am Krater „in situ“ oder in der Nähe der Krater oder aber luft- und weltraumgestützt eingesetzt. Wenn wir also zu einem Vulkankrater gehen, um Lecks zu entdecken und ausweichende Gase zu messen, benötigen wir vor allem Lösungen, die den vulkanischen Umgebungsbedingungen standhalten“, betont Market Manager Emre Germen von INFICON die Anforderungen.
Lecksuchtechnologie und tragbare Gasanalysatoren im Einsatz
„Man muss sich den unterirdischen Teil eines Vulkans wie eine gigantische, mit Lava gefüllte Kammer vorstellen. Durch den Druck des entgasenden Magmas entstehen Risse und Lecks, aus denen giftige Gase und Wasserdampf in die Atmosphäre entweichen“, konkretisiert Emre Germen. „An dieser Stelle leistet INFICON einen Beitrag, indem wir eine neue Lecksuchtechnologie und hochmoderne tragbare Gasanalysatoren einsetzen, um die Zusammensetzung der austretenden Gase zu messen und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen“, führt der INFICON-Manager weiter aus.
Gemessen werden dort CO2 und Helium; die Messungen sind somit ungefährlich. Die Veränderungen der Gaszusammensetzung und des Gasflusses können mit Veränderungen im Inneren des Vulkans korreliert werden und deuten dann schließlich auf steigende Aktivität hin – bis hin zu einem drohenden Ausbruch. Das Messgerät befindet sich in sicherer Entfernung und misst die Ausgasung aus dem Erdinneren aus einer sicheren Entfernung. Nur im Falle einer Eruption, wenn Magma den Berg hinunterfließt, oder einer pyroklastischen Eruption, wird das Messgerät zerstört.
Anspruchsvolle Bedingungen am Kraterrand
„Extrem anspruchsvoll – auch und gerade etwa in Bezug auf Hitzebeständigkeit – sind die Bedingungen vor allem direkt am Krater“, so der INFICON-Manager weiter. Die Oberfläche und die Felsformationen für die Erkundung sind total zerklüftet und vernarbt. „Risse und ausströmende Gase durchziehen die karge Landschaft und machen es zu einer Herausforderung, die Messpunkte zu begehen und sich dort aufzuhalten“. Ohne direkte Anbindung an ein Stromnetz, sodass über Solarmodule und Batterien die Geräte versorgt werden müssen. Hilfreich sei es dabei laut Germen nicht zuletzt, dass die Geräte In den letzten Jahren deutlich anwendungsfreundlicher geworden sind: So haben sich etwa die Massenspektrometer zur Gasanalyse sowie die Leckdetektoren zum Aufspüren von Lecks von großen, sperrigen Labor-Apparaten zu kleinen, mobilen Einsatzgeräten gewandelt, die leicht in vulkanische Umgebungen transportiert werden können.
Schwachpunkte sind wichtig für die Weiterentwicklung
„Für den Einsatz in Vulcano und Stromboli verwenden wir konkret einen mobilen Heliumkonzentrations-Sensor mit dem Namen „He-Man“ – ausgestattet mit einem Wise Sensor zur Detektion von ausgasendem Helium“, verrät Emre Germen. Der Wise-Sensor ermöglicht es durch eine mittels einer für Helium durchlässige Membran über eine Penning-Ionisation winzigste Mengen an Helium zu detektieren. Dies dient zum einen der Forschung und liefert überdies wertvolle Informationen zur Weiterentwicklung der nächsten Instrumenten-Generation. So ist also nicht nur der Forschungserfolg, sondern auch das Erkennen von Schwachpunkten auf dem Weg dahin wichtig, weil der Optimierungsbedarf die Produktentwicklung forciert.
Messungen in-situ und in Echtzeit
Insgesamt ist die aktuelle Technologie darauf beschränkt, nur einige wenige Gase zu überwachen – wie etwa SO2, H2S und CO2. Die Instrumente von INFICON ermöglichen jedoch zusätzlich die Überwachung von Helium, Wasserstoff sowie anderen Spurengasen und Isotopen. „Dafür haben wir die notwendige Technologie und Sensorik in unseren Produkten integriert“, verrät Emre Germen. Diese Messungen werden dann in Echtzeit durchgeführt und können drahtlos zur Datenerfassung übermittel werden. Sie liefern ein ganzheitlicheres Bild des Entgasungsprozesses und der vulkanischen Aktivität.
Damit werden andere Überwachungstechniken ergänzt, die typischerweise bei der Vulkanüberwachung eingesetzt werden, wie etwa Neigungsmesser, magnetische Messungen, Seismometer und Fernerkundung. Massenspektrometrie und Gaschromatographie, andere Kerntechnologien von INFICON, können die Online-Überwachung dieser anderen Gase ermöglichen. Durch diesen ganzheitlichen Ansatz können wir eng mit den Vulkanologen zusammenarbeiten, um die Entgasungsvorgänge der Vulkane zu verfolgen. Professor Diaz und das INFICON-Team in Syracuse arbeiten seit mehr als zwölf Jahren mit dem NASA-JPL und dem INGV an diesen Messungen zusammen.
Notfallvorbereitung, wenn Vulkane aktiv werden
Auf Vulcano werden somit die abgegebenen Gase gemessen, um den Zustand des Vulkans zu verstehen. Schließlich zählen die italienischen Vulkane zu den weltweit am besten überwachten, und sie bilden die Referenzsysteme, die zur Beschreibung anderer Vulkane auf der Erde herangezogen werden können.
Gleichzeitig helfen die Daten bei der Überwachung anderer Vulkane weltweit, da die Gasmessungen mit den Daten von Fernerkundungsinstrumenten in Flugzeugen und Satelliten verglichen werden können, die auf Wunsch permanent sämtliche Vulkane der Erde überwachen. Diese werden dann zu Kalibrierungs- und Validierungspunkten für Erdbeobachtungsplattformen, die den jeweiligen Zivilschutzbehörden dabei helfen, sich auf Notfälle vorzubereiten, wenn die Vulkane aktiv werden. Die in dieser Vulkanfeldkampagne gewonnenen Daten werden zur Kalibrierung des HyTES (Hyperspectral Thermal Emission Spectrometer) des JPL beitragen und später bei der Entwicklung des HyspIRI-Satelliten-Fernerkundungsinstruments helfen, das einen großen Beitrag zur Überwachung der Vulkane der Erde leisten wird.
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