Dürre verändert die Kohlendioxid-Emissionen des Mammoth Mountain

Vor dreißig Jahren begann an den Flanken eines Vulkans in der kalifornischen Sierra Nevada ein massenhaftes Absterben von Bäumen, die an ihren Wurzeln durch Kohlendioxid erstickt wurden, das nach einer Reihe kleiner Erdbeben aus den Tiefen des Berges aufstieg.

Die Welle des Baumsterbens am Mammoth Mountain, der in einem der größten aktiven Vulkansysteme des Landes liegt, veranlasste Wissenschaftler, die Emissionen des Vulkans genauer zu überwachen.

Jetzt haben Forscher um den Geologen George Hilley von der Stanford University eine überraschende Entdeckung in den langjährigen Aufzeichnungen gemacht: Ebbe und Flut der Kohlendioxidemissionen des Mammoth Mountain hängen eng mit dem Gewicht von Schnee und Eis in der Sierra Nevada und mit der Wassermenge zusammen, die vom Boden in die Rohrleitungen des Vulkans sickert.

“Dies zeigt, wie die feste Erde mit dem Klima und den Vorgängen an der Oberfläche verbunden ist”, so Hilley, Professor für geologische Wissenschaften an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). “Dürren können die Art und Weise verändern, in der Vulkane atmen.

Die am 9. März in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlichten Forschungsergebnisse stammen aus einem trockenen Winter, in dem die Schneedecke in Kalifornien weit unter dem Durchschnitt für diese Jahreszeit lag, wobei weniger als eine Woche in der Regenzeit des Staates verbleibt und keine größeren Schneestürme vorhergesagt werden.

Bis zum Ende dieses Jahrhunderts wird die Schneedecke in der Sierra Nevada um 48 bis 65 Prozent unter dem historischen Durchschnitt des 1. Aprils liegen, sagen die Behörden voraus. “Veränderungen in der Hydrologie der Erde aufgrund des Klimawandels könnten sich sogar auf die Geschwindigkeit auswirken, mit der Gase aus vulkanischen Systemen freigesetzt werden”, sagte Hilley.

Horseshoe Lake

Hilley und seine Mitautoren analysierten Messungen der Kohlendioxidemissionen, die sechs Jahre lang alle 30 Minuten am Horseshoe Lake, dem am besten untersuchten Baumsterbengebiet am Mammoth Mountain, vorgenommen wurden. Der Berg erhebt sich entlang des südwestlichen Randes der Long Valley Caldera, einem Krater, der durch einen Supervulkanausbruch vor 760.000 Jahren entstanden ist.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge des aus dem Boden aufsteigenden Kohlendioxids im Frühjahr 2017 dauerhaft um 20 Prozent abgenommen hat. Der Rückgang fällt mit dem Ende der intensiven Trockenheit in der Region und der größten Schneedecke der Sierra Nevada seit Jahrzehnten zusammen.

Die Studie stützt sich auf Untersuchungen der USGS-Vulkanologin Jennifer Lewicki, die gezeigt hat, dass sich die Kohlendioxidemissionen im Gebiet des Horseshoe Lake aus Gründen, die nicht mit einem bevorstehenden Vulkanausbruch zusammenhängen, saisonal und über mehrere Jahre hinweg verändert haben.

Auf der Suche nach einer Erklärung für diese Schwankungen entwickelten Lewicki und Hilley – zusammen mit dem Mitautor Curtis Baden aus Stanford – mathematische Modelle, um plausible Mechanismen zu testen. Schneeschmelze und Regenfälle können zum Beispiel Kohlendioxid wegspülen, das sonst aus dem Boden sickern würde. Ihre Berechnungen zeigen jedoch, dass der Mammoth Mountain viel zu wenig Niederschlag erhält, um die 2017 beobachteten niedrigen CO2-Werte im Frühjahr zu erklären.

Die wahrscheinlichste Erklärung für die jahreszeitlichen Veränderungen der Kohlendioxidemissionen des Mammoth Mountain hat mit einem unterirdischen Riss oder einer Verwerfung zu tun, die für ein geschultes Auge in den Vegetationsmustern und der Topografie der Landschaft erkennbar ist. Veränderungen in der Spannungsverteilung über den gesamten Gebirgszug scheinen die Verwerfung wie ein Ventil zu öffnen und zu schließen, oder wie die winzigen Lücken zwischen alten Fußbodenbrettern, die sich unter Gewichtsverlagerung biegen.

Anhand von GPS-Daten und Schneehöhenmessungen fanden die Autoren heraus, dass die Druckkraft auf die Verwerfung zwischen 2014 und 2020 im Allgemeinen im Winter ihren Höhepunkt erreicht, wenn sich die Schneedecke in der Sierra Nevada anhäuft, und in den schneefreien Sommermonaten nachlässt. Die Kohlendioxidemissionen sanken in den Zeiträumen, in denen das Gewicht von Schnee und Wasser in den Bergen die Erdkruste beugte und die Felsen auf beiden Seiten der Mammoth Mountain-Verwerfung zusammenpresste.

Eine Einschränkung der Studie besteht darin, dass sie kein physikalisches Modell für die Bewegung der Verwerfung und den Gasfluss durch sie liefert. “Wir verwenden Spannungsänderungen als Näherungswerte für das Öffnen und Schließen eines Kanals”, so Hilley. “Eine interessante Studie würde ein dreidimensionales Modell des Gastransports durch einen Kanal erstellen, den man tatsächlich öffnen und schließen könnte, und dieses Modell dann viele Male laufen lassen, um zu sehen, ob seine Vorhersagen quantitativ mit den Kohlendioxidmessungen übereinstimmen, die wir durchführen.

Vorhersage künftiger Eruptionen

Die Fähigkeit, zwischen klimatisch bedingten CO2-Schwankungen und solchen, die durch eine bevorstehende Eruption ausgelöst werden, zu unterscheiden, wird bessere Gefahrenprognosen ermöglichen, die sich zum Teil auf Anzeichen dafür stützen, dass aufsteigendes Magma Erdbeben auslöst, die Erdoberfläche verformt oder Gase nach oben leitet. “Das Zusammentreffen aller drei Faktoren ist in der Regel ein Hinweis darauf, dass ein Ausbruch bevorsteht”, so Hilley.

Seit Jahrzehnten werden Bodenverformungen und Seismizität in der Umgebung einiger aktiver Vulkane in den Vereinigten Staaten kontinuierlich mit GPS und Satelliten überwacht, und die Wissenschaftler können die Daten nahezu in Echtzeit einsehen. Bei vulkanischem Gas ist die Lage jedoch etwas unklarer. “In der Vergangenheit mussten Wissenschaftler bei den meisten Vulkanen vor einem Ausbruch oder sogar zwischen den Ausbrüchen in ein vulkanisches Gebiet gehen und das Gas zur späteren Analyse einsammeln. Das ist eine echte Indiana-Jones-Arbeit”, so Hilley.

Die Schwierigkeit, vulkanische Gase zu sammeln, hat zu begrenzten Aufzeichnungen geführt, manchmal mit nur einer einzigen Momentaufnahme der Entgasung eines Vulkans in einem bestimmten Jahr, was es schwierig macht, Veränderungen zu erkennen, die vor einem Ausbruch warnen könnten – oder Muster zu verstehen, die mit dem Klimasystem der Erde zusammenhängen.

Die neue Studie gibt einen Ausblick auf künftige Erkenntnisse, wenn Wissenschaftler Zugang zu mehr Daten über vulkanische Emissionen erhalten, was zum Teil der Entwicklung preiswerterer und haltbarerer Instrumente zu verdanken ist.

“Die Hoffnung ist, dass wir in den nächsten Jahren eine Aufzeichnung darüber haben werden, was das Gas fast in Echtzeit macht”, sagte Hilley. “Wenn man sich die Daten im Detail ansieht, erkennt man, dass es saisonale Schwankungen gibt, die wahrscheinlich nichts mit dem tatsächlichen vulkanischen Zustand zu tun haben.

Datum: März 29, 2022
Quelle: Universität Stanford


Journal Reference:

  1. George E. Hilley, Jennifer L. Lewicki, Curtis W. Baden. Seasonal and Multiyear Changes in CO 2 Degassing at Mammoth Mountain Explained by Solid‐Earth‐Driven Fault ValvingGeophysical Research Letters, 2022; 49 (6) DOI: 10.1029/2021GL096595

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