Nach Vulkanausbruch vor Tonga: Mysteriöse Schockwellen wandern um die Erde

© REUTERS / MALAU MEDIAAusbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik (Archivbild)
Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik (Archivbild) - SNA, 1920, 31.01.2022
Nach dem Vulkanausbruch an der Küste des pazifischen Inselstaates Tonga beobachten Forscher auf Satellitenaufnahmen rätselhafte Schwerewellen in der Atmosphäre.
Diese Wellen wurden sowohl auf der Erdoberfläche als auch in der höheren Ionosphäre festgestellt. Bei diesem Phänomen soll es sich um Gravitations- bzw. Schwerewellen handeln, allerdings ist alles viel komplizierter.

Gravitationswellen in der Atmosphäre nach Vulkanausbruch

Der Unterseevulkan Hunga Tonga-Hunga Haʻapai im Inselstaat Tonga erwachte im Dezember 2021. Einen Monat später kam es zu einem starken Ausbruch. Dieser verursachte ein Erdbeben und einen Tsunami, der sogar die Küste von Peru auf der anderen Seite des Pazifiks erreichte. Eine riesige Aschewolke stieg auf eine Höhe von 20 Kilometer bis an die Grenze zur Stratosphäre. Die Explosion war sogar im kanadischen Yukon zu hören, tausende Kilometer entfernt. Infraschallwellen – unter der Grenze, welche das menschliche Gehör wahrnehmen kann, – wurden weltweit registriert.
Darüber hinaus löste der Vulkanausbruch massive Wellen in der Atmosphäre aus – so genannte Schwerewellen in der Atmosphäre. Sie wurden durch NASA-Satelliten nach einigen Stunden festgehalten. Auf den Satellitenbildern sind Dutzende konzentrische Kreise zu sehen, jeder steht für eine sich schnell bewegende Welle.
Ausbruch des Vulkans Hunga-Ha'apai auf der Pazifik-Insel Hunga Tonga (Archiv) - SNA, 1920, 15.01.2022
Nach Ausbruch von Untersee-Vulkan: Tsunami-Wellen erreichen Japan
Akustische Gravitationswellen sind Forschern, die sich mit Physik der Atmosphäre befassen, zwar bekannt, doch früher waren sie nie so eindeutig bei Vulkanausbrüchen beobachtet worden. Gewöhnlich sind starke akustische Gravitationswellen mit Erdbeben, Tsunamis und einigen künstlichen Ereignissen wie Raketenstarts bzw. Explosionen verbunden. Kleinere Wellen entstehen aus ganz verschiedenen Gründen – Stürme, Blitze, geomagnetische Gewitter, Eruptionen auf der Sonne und sogar Atmosphärenschwankungen.
„Diese Wellen sind nicht ungewöhnlich“, berichtete Sergej Pulinez vom Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften. Es handle sich faktisch um Schallwellen, nur mit sehr niedrigen Frequenzen, weshalb wir sie nicht hören. Wie jeder Schall erscheinen sie bei Verdichtung bzw. Ausdehnung der Luft, wenn Atmosphärenmassen in Bewegung kommen“.
Die beim Vulkanausbruch entstandenen Wellen gingen mehrmals um die Erdkugel, durch Barometer wurde in verschiedenen Teilen der Welt ein geringer Luftdruckanstieg registriert – rund 1,5 Millibar. An der US-Westküste in Seattle war der Anstieg so groß, dass der für diese Gegend typische Nebel verschwand, wie der lokale Wetterdienst berichtete. In Großbritannien, rund 16.500 Kilometer von der Insel Tonga entfernt, wurde die erste Welle 14 Stunden nach dem Ausbruch fixiert. Dabei konnte die Geschwindigkeit dieser Welle gemessen werden: rund 330 m/s. Das entspricht in etwa der Schallgeschwindigkeit. Weitere Wellen wurden von sensiblen Barometern noch einen Tag lang fixiert.
Die ursprüngliche Welle war sogar weltumspannend zu spüren. Erfasst wurde diese von allen 53 Stationen des Infraschall-Überwachungssystems der Organisation des Vertrags über das umfassende Verbot von Atomtests in Entfernungen von 1800 bis 18.000 Kilometern vom eruptierten Vulkan. Zum Vergleich: Die nach dem Meteoritenaufprall von Tscheljabinsk 2013 entstandenen Atmosphärenwellen wurden nur von der Hälfte dieser Stationen fixiert.

Nicht einfach eine Welle

© REUTERS / CIRA/NOAAAusbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik (Archivbild)
Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik (Archivbild) - SNA, 1920, 31.01.2022
Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik (Archivbild)
In der Theorie könnten ein schnell aufsteigender heißer Luftstrom und die Asche nach dem Vulkanausbruch auch größere akustische Gravitationswellen auslösen. Doch das, was von den Forschern nach dem Ausbruch des Vulkans Hunga Tonga beobachtet wurde, passt weder zum gewöhnlichen Schema noch zum Ausmaß und Aussehen. Auf den Aufnahmen sahen die Schwankungen wie eine Mischung aus Wellen verschiedener Typen und Größe aus.
„Die Besonderheit besteht darin, dass es ein Unterwasser-Ausbruch war“, so Pulinez. „Die Schallwelle der Explosion und die Atmosphärenwelle wegen der starken Aschebildung legten sich aufeinander. Eine weitere Welle wurde durch den Tsunami ausgelöst. Dadurch ergab sich ein Bild von Wellen mit verschiedenen Frequenzen und Ausmaßen. Da es sich um eine mitten im Ozean gelegene Insel handelt, gab es eine kreisförmige Welle und keine reflektierte Welle, wie es bei Ausbrüchen an der Küste der Fall ist.“
Ungewöhnlich war auch die Explosionsgeschwindigkeit des Ausbruchs. Vulkane spucken gewöhnlich Lava innerhalb einiger Tage und manchmal auch Wochen aus. Hier ereignete sich alles in wenigen Minuten, als Folge eines sehr starken Impulses.
NASA-Spezialisten schätzten die Explosionsstärke auf zehn Megatonnen TNT. Das ist 500 Mal stärker als die Atombombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde. Die enorme Detonation und der Tsunami verursachten ein ganzes Spektrum von Wellen, die sich sowohl in unteren als auch in oberen Atmosphärenschichten verbreiteten.
Neben den akustischen Schwerewellen gibt es Infraschallwellen, Lambwellen und elektromagnetische Schwankungen in der Ionosphäre. Gerade darin besteht die Einzigartig dieses atmosphärischen Ereignisses.
Auf Satellitenaufnahmen sind Wellen zu sehen, die von der Stelle ausgehen, wo die Ascheschleife in die unteren Atmosphärenschichten eindrang. Satelliten fixierten mehr als 60.000 Schläge innerhalb von 15 Minuten nach dem ursprünglichen Vulkanausbruch, was fast 70 Blitzschlägen pro Sekunde entspricht.
Anschließend breitete sich von der Ascheschleife in alle Richtungen eine Druckwelle aus, die einen Anstieg des Atmosphärendrucks provozierte. Als die Daten des NASA-Satelliten GOES-West, die online zugänglich sind, bearbeitet wurden, erstellte Prof. Mathew Barlow von der University of Massachusetts eine zusammengesetzte Aufnahme von den Bewegungen der ursprünglichen Welle in der Erdatmosphäre.
Die Ereignisse liefen wie folgt ab: Die Schlagwelle verursacht eine hochfrequente akustische Welle, die nach einiger Zeit zu einer niederfrequenten und dann zu einer Infraschall-Welle wird. In den oberen Atmosphärenschichten, wo das Gas ionisiert, in geladene Teilchen gespaltet wird – Ionen und Elektronen –, lösen die Wellen bereits elektromagnetische Schwankungen aus.
Mit Nutzung einiger bodengestützter und Weltraumsensoren erstellte die britische Physikerin Catherine Mitchell von der University of Bath ein Video. In dem Video wurde gezeigt, wie Ionosphären-Wellen sich vom Vulkan in Richtung Neuseeland innerhalb einiger Stunden nach Ausbruch ausdehnen. Sie sind als Wechsel der positiven und negativen Abweichungen vom allgemeinen Inhalt der Elektronen zu sehen. Nach Einschätzung von Experten des US-Amerikanischen Verbands für Geophysik brauchten die Wellen fünf Stunden, um die US-Küste zu erreichen.

Gefahren für den Weltraum

© AP Photo / Japan Meteorological AgencyAusbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik
Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik  - SNA, 1920, 31.01.2022
Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga-Hunga Ha'apai in Südpazifik
Wissenschaftler verfolgen ständig per Satellitenbeobachtung elektromagnetische Wellen, die sich in der Ionosphäre verbreiten – Bereich der Atmosphäre 60 bis 1000 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt. Innerhalb dieser Zone (rund 400 Kilometer von der Erde) befindet sich die bemannte Raumstation ISS. Für sie und andere Weltraumapparate stellen Schwankungen in der Ionosphäre keine Gefahr dar. Doch sie können den Betrieb der Satelliten-Navigationssysteme wie GPS und GLONASS beeinflussen. Die Satelliten selbst befinden sich deutlich weiter entfernt – 20.000 bis 26.000 Kilometer von der Erde, doch ihr Signal kann abweichen, wenn es in die Ionosphäre eintritt.
„Die Satellitenwellen kommen zur Erde mit einer gewissen Verspätung. Zusätzliche inhomogene Elemente in der Ionosphäre bringen Fehler in die berechnete Verspätung, die Dutzende Meter ausmachen. Spezielle Dienste verfolgen diese und beseitigen diese – Fehler bei der Navigation können zu Havarien führen“, so Pulinez.
Bemerkenswert ist, dass die akustischen Gravitationswellen sich sieben Tage nach dem Ausbruch immer noch verbreiteten, wobei die Erde bereits zum zehnten Mal umkreist wurde. Sie wurden im Infrarotbereich von geostationären Satelliten GOES-16 und GOES-17 fixiert.
Vladyslav Strekopytow
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