Wie der Vulkanausbruch von Tonga helfen kann, Tsunamis zu erkennen

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Wie der Vulkanausbruch von Tonga helfen kann, Tsunamis zu erkennen

Am 15. Januar verwüstete der katastrophale Ausbruch eines versunkenen Vulkans im Südpazifik den Archipelstaat Tonga, löste Tsunamis auf der ganzen Welt aus und erzeugte einen Überschallknall, der bis nach Alaska zu hören war.

Die Explosion wurde von einer Vielzahl von Sensoren erfasst, die sich an Land, im Meer und am Himmel befinden. Zwei Gruppen von Wissenschaftlern veröffentlichten ihre Analysen dieser Daten am 12. Mai in der Zeitschrift Wissenschaft.

eine Mannschaft folgerte das Die Druckwellen des Ereignisses waren in ihrem Ausmaß mit denen des massiven Krakatau-Ausbruchs von 1883 in Indonesien vergleichbar, der Aschewolken freisetzte, die eine Höhe von 80 Kilometern erreichten, und Explosionen, die auf ihrem Höhepunkt 2.200 Kilometer entfernt zu hören waren. Die zweite Gruppe erkundet wie Die Druckwellen ließen Tsunamis Stunden früher als erwartet an fernen Küsten eintreffen. Diese Informationen können Wissenschaftlern helfen, die Prozesse, die Eruptionen zugrunde liegen, besser zu verstehen und Tsunami-Frühwarnsysteme zu verbessern, sagen die Forscher.

„So etwas hat es im modernen digitalen Zeitalter noch nicht gegeben“, sagt Robin Matoza, Geophysiker an der University of California in Santa Barbara und Mitautor einer der Veröffentlichungen. „Das ist ein wirklich bemerkenswertes Ereignis.“

Randy Cerveny, Meteorologe an der Arizona State University und Berichterstatter für Wetter- und Klimaextreme für die World Meteorological Organization der Vereinten Nationen, beschrieb die beiden Papiere als „faszinierende Arbeit“.

„Je mehr Informationen wir jetzt haben – und je mehr Analysen dieser verfügbaren Informationen – wir hoffentlich besser auf zukünftige Eruptionen von solch unglaublichem Ausmaß vorbereiten können“, sagte er in einer E-Mail.

Der Vulkan, der für all diese Turbulenzen verantwortlich ist, liegt 40 Meilen von Tongatapu entfernt, der größten Insel von Tonga. Er hat einen Durchmesser von ungefähr 12 Meilen und wird von einer 3 Meilen breiten Caldera mit zwei „Lippen“ gekrönt, die über das Wasser hinausragen. Der Vulkan Hunga erlebte von 2009 bis 2015 mehrere kleinere Ausbrüche. Eine Reihe heftigerer Ausbrüche begann im vergangenen Dezember und erreichte ihren Höhepunkt mit dem massiven Ausbruch am 15. Januar, der eine Aschewolke mehr als 20 Meilen in den Himmel schleuderte.

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Matozas Team, dem Forscher aus 17 Ländern angehörten, untersuchte die Druckwellen, die von der gewaltigen Eruption ausgehen. Sie stellten Messungen von Seismometern, auf Bojen basierenden Drucksensoren, Hydrophonen, Wettersatelliten, Instrumenten zusammen, die die Biegung von Radiowellen aufzeichnen, wenn sie die Erdatmosphäre passieren, und mehr.

Die Forscher konzentrierten sich insbesondere auf Lamb-Wellen, das sind niederfrequente Störungen, die sich mit ungefähr Schallgeschwindigkeit entlang der Erdoberfläche ausbreiten. Cerveny vergleicht das Phänomen mit dem Verhalten eines wackeligen Desserts.

„Stellen Sie sich eine Explosion vom Boden eines riesigen Behälters mit Wackelpudding vor und wie sich die Druckwellen von komprimiertem Wackelpudding horizontal von der Explosionsstelle ausbreiten würden“, sagte er.

Lammwellen erstrecken sich normalerweise über die gesamte Tiefe der Atmosphäre, sodass Forscher sie mit einer Vielzahl von Sensoren sowohl am Boden als auch in Satelliten verfolgen können, sagte Siddharth Krishnamoorthy, ein Luft- und Raumfahrtingenieur am NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena und Mitautor des Papiers. „Die Amplitude der Lamb-Welle, die wir hier beobachtet haben, war nicht so hoch, dass sie Schaden anrichtete, aber sie hilft uns, die Wellenausbreitung in der Atmosphäre und die Eigenschaften des Ausbruchs selbst zu verstehen“, sagte er in einer E-Mail.

Er und seine Mitarbeiter beobachteten, dass die von der Hunga-Eruption ausgelöste Lamb-Welle so stark war, dass sie über einen Zeitraum von sechs Tagen mehrmals die Erde umkreiste. Das Team kam zu dem Schluss, dass die Welle in Größe und zurückgelegter Entfernung der des berüchtigten Krakatau-Ausbruchs von 1883 ebenbürtig war und mehr als zehnmal größer als die, die durch den Ausbruch des Mount St. Helens im Jahr 1980 verursacht wurde.

„Es zeigt, wie extrem der Ausbruch des Vulkans Hunga im Januar 2022 war tatsächlich so“, sagte Cerveny. „Wenn der Hunga-Ausbruch hauptsächlich über dem Meeresspiegel stattgefunden hätte (wie der Krakatau-Ausbruch), wären die Auswirkungen etwas gewesen, das seit fast 150 Jahren nicht mehr beobachtet wurde.“

Die Erschütterung des Krakatau wurde von rund 50 weltweit stationierten Wetterbarometern aufgezeichnet, während der Hunga-Ausbruch von Tausenden von Sensoren dokumentiert wurde. Dies hat Wissenschaftlern einen „beispiellosen“ globalen Datensatz für eine Explosion dieser Größe gegeben, sagt Matoza. In Zukunft hoffen er und seine Kollegen, ihr Verständnis des Hunga-Ausbruchs zu vertiefen, indem sie auf Daten von Wetterstationen zu Hause zurückgreifen, die Nicht-Wissenschaftlern auf der ganzen Welt gehören.

„Hier gibt es echtes Potenzial, all diese zusätzlichen Daten zu sammeln, um dieses Wellenfeld noch besser zu charakterisieren“, sagt er.

Die überwiegende Mehrheit der Tsunamis wird durch Erdbeben verursacht. Frühwarnsysteme basieren auf dieser Art von Wellen und können ihre Ankunftszeit innerhalb von Minuten vorhersagen, sagte Lucie Rolland, Geophysikerin am Côte d’Azur-Observatorium in Valbonne, Frankreich, und ein weiteres Mitglied von Matozas Team. Die durch den Hunga-Ausbruch verursachten Tsunamis waren jedoch deutlich anders, da die ersten Wellen mehr als zwei Stunden früher als gewöhnlich eintrafen. Der Tsunami inklusive 4-Fuß-Wellen die die Westküste der USA erreichten.

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Für das zweite Papier verwendeten Forscher in Japan mathematische Simulationen, um zu untersuchen, wie die durch den Ausbruch erzeugten Lamb-Wellen die nachfolgenden Tsunamis beeinflusst haben könnten. Das Team stützte sich bei seiner Analyse auf Daten von Barometern, Meeresbodendrucksensoren (die Tsunamis erkennen, die über sie hinwegziehen) und globalen Küstengezeitenmessern.

Es wurde aufgezeichnet, dass sich die führenden Wellen mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Metern pro Sekunde (671 Meilen pro Stunde) bewegten. Ihnen folgten Wellen mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 bis 220 Metern pro Sekunde (447 bis 492 Meilen pro Stunde), was den typischen Geschwindigkeiten entsprach, die von Tsunamis im Zusammenhang mit Erdbeben erwartet werden, sagte Tatsuya Kubota, Seismologe am National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience in Tsukuba, Japan. Diese Störungen dauerten mehr als drei Tage, was viel länger ist als erdbebenbedingte Tsunamis.

Kubota und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass die Lamb-Welle die führende Wasserwelle antreibt, während die topografischen Merkmale des pazifischen Meeresbodens diese Wellen zerstreuten, um nachfolgende lang anhaltende Tsunamis zu erzeugen. Die Eigenschaften von vulkanischen Tsunamis machen sie komplexer und schwerer zu prognostizieren als durch Erdbeben verursachte Tsunamis, schloss das Team.

„Eine wichtige Implikation ist, denke ich, [that] wir müssen das Wissen der Vulkanologie und Meteorologie in die Tsunami-Wissenschaft einbeziehen“, sagte Kubota in einer E-Mail.

Rolland bemerkte, dass die Arbeit ihres Teams auch darauf hindeutet, dass der sich schnell bewegende Lamb-Wellenpuls zu den ungewöhnlichen Tsunamis beigetragen hat.

„In Ermangelung korrekter Kenntnisse über die Quelle lieferten die in Betrieb befindlichen Tsunami-Frühwarnsysteme ungenaue Schätzungen der Tsunami-Bedrohung“, sagte sie in einer E-Mail. „Es ist daher von größter Bedeutung, die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen und diese eigentümlichen Beobachtungen vollständig zu erklären und die Verfahren der Frühwarnsysteme an den Fall explosiver Vulkanausbrüche anzupassen.“