Die historischen Ausbruchsaufzeichnungen des italienischen Vulkans Ätna zeigen, dass derselbe Vulkan durch völlig unterschiedliche unterirdische Kanäle ausbrechen kann, was das traditionelle Verständnis der Geologengemeinschaft von der beständigen Stabilität des „Pipelinesystems“ innerhalb des Vulkans untergräbt.Eine kürzlich von der Cornell University in den Vereinigten Staaten durchgeführte Studie rekonstruierte den unterirdischen Magmaaktivitätsprozess zweier großer Ausbrüche des Ätna und stellte fest, dass sein internes „Pipelinesystem“ in verschiedenen historischen Perioden von völlig unterschiedlichen Mechanismen angetrieben wurde. Es wird erwartet, dass dieses Ergebnis ausgefeiltere technische Mittel für die künftige Risikobewertung von Vulkanausbrüchen liefern wird.
Das Forscherteam wies darauf hin, dass das „Pipelinesystem“ im Inneren eines Vulkans oft tief unter der Erde verläuft und ein hochkomplexes Netzwerk bildet. Selbst bei ein und demselben Vulkan kann das Magma bei verschiedenen Ausbrüchen auf völlig unterschiedlichen Wegen aufsteigen und Druck freisetzen. Dieses Gemeinschaftsprojekt unter der Leitung von Esteban Gazel, dem Charles N. Melos Chair Professor am Department of Earth and Atmospheric Sciences der Cornell University, wählte als Objekt den Vulkan Ätna, der eine relativ „einfache“ Struktur hat und von flüchtiger Materie dominiert wird, und analysierte systematisch Magmakristallproben von zwei repräsentativen Ausbrüchen dieses Vulkans in der Vergangenheit.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Geochemistry, Geophysics, Geosystems veröffentlicht. Der Erstautor der Arbeit ist Maxim Gavrilenko, ein ehemaliger Postdoktorand an der Cornell University. Gazelle interessiert sich seit langem für die Mechanismen von Vulkanausbrüchen, insbesondere dafür, welche Faktoren heftige explosive Eruptionen auslösen und welche dominierende Rolle verschiedene flüchtige Komponenten in diesem Prozess spielen.
Das Forschungsteam betonte, dass die Frage, ob ein Vulkanausbruch explosiv sei, eng mit der Viskosität des Magmas und der Menge und Verteilung der im Magma enthaltenen flüchtigen Gase zusammenhänge. Gazelle verwendete als Vergleich ein kohlensäurehaltiges Getränk: Wenn man eine Limonadenflasche öffnet, die nicht geschüttelt wurde, entleert sich die Flüssigkeit gleichmäßig; Wenn Sie die Flasche jedoch kräftig schütteln und dann die Flasche öffnen, lösen sich die Blasen in der Flasche schnell auf und dehnen sich aus, was zu einem heftigen Ausbruch führt. Der Ausbruchsprozess eines Vulkans ähnelt in gewisser Weise diesem.
Wasser und Kohlendioxid sind die beiden wichtigsten flüchtigen Bestandteile im vulkanischen Magma. Die geologische Gemeinschaft betrachtet Wasser seit langem als die wichtigste flüchtige Komponente, die das Verhalten von Vulkanausbrüchen dominiert. Das Forschungsteam von Gazelle schlug jedoch in einer Studie aus dem Jahr 2023 vor, dass Kohlendioxid auch direkt explosive Eruptionen auslösen kann. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus ihrer neuen Methode, mit der Raman-Spektroskopie winzige Blasen in Magmakristallen zu analysieren.
Mithilfe der Raman-Spektroskopie konnten die Forscher die Kohlendioxiddichte mikrometergroßer Blasen innerhalb von Kristalleinschlüssen im Magma messen, die nur etwa ein Prozent bis ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares ausmachen. Gavrilenko sagte, dass das Team, nachdem es die Dichte von Kohlendioxid ermittelt hatte, diese mithilfe der Zustandsgleichung in Druck umwandelte und dann anhand des Drucks die Tiefe des Magmas berechnete, wodurch die dreidimensionale Struktur des inneren Rohrsystems des Vulkans mit beispielloser Genauigkeit rekonstruiert wurde.
In dieser Studie wandte das Team diese Technologie auf zwei wichtige Ausbrüche des Ätna an. Die Ergebnisse zeigten, dass derselbe Vulkan zu verschiedenen historischen Zeiten Magma und Gas über völlig unterschiedliche „Kanäle“ freisetzen kann. Einer der Ausbrüche im Jahr 122 v. Chr. war extrem groß. Die Magmazusammensetzung gehörte zur mafischen Kategorie mit niedriger Viskosität und der Ausbruchstyp wurde als „Plinian“ klassifiziert – dies ist der heftigste Ausbruchsgrad, der nach Plinius dem Älteren benannt wurde, dem Aufzeichner des Ausbruchs des Vesuvs im Jahr 79 n. Chr.
Um qualitativ hochwertige Proben zu erhalten, gingen die Forschungsmitarbeiter Terry Plank und Bruce Houghton tief in das Vulkanfeld des Ätna, um systematische Probenahmen durchzuführen und Sequenzanalysen und Feinmessungen von Magmakristallen durchzuführen. Daten zeigen, dass bei diesem Ereignis im Jahr 122 v. Chr. das Magma zunächst langsam aus einer Tiefe von etwa 22 Kilometern aufstieg und mehrere Wochen lang auf einem flachen Niveau 2 bis 5 Kilometer über der Oberfläche stagnierte, wobei es nach und nach etwas Gas verlor und schließlich eine Eruption auslöste.
Anschließend verglich das Team die neuen Daten mit Proben einer anderen früheren Eruption, dem Fall Stratified-Ereignis vor etwa 4.000 Jahren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Prozess des Magmaaufstiegs bei letzterem völlig anders ist: Magma fließt schnell aus einer tieferen Mantelschicht von etwa 24 bis 30 Kilometern an die Oberfläche, vollendet seinen Aufstieg und bricht in nur wenigen Stunden aus. Die Hauptantriebskraft liegt in der deutlich höheren Kohlendioxidkonzentration im Magma.
Gazelle wies darauf hin, dass es offensichtliche Unterschiede in der Zusammensetzung flüchtiger Bestandteile zwischen verschiedenen Vulkanen gibt: Einige Vulkane auf ozeanischen Inseln werden von hohen Kohlendioxidkonzentrationen dominiert, während Vulkane in Subduktionszonen stärker vom Wassergehalt kontrolliert werden. Der Ätna ist einer der wenigen besonderen Vulkane, bei denen zwei flüchtige Stoffe, Wasser und Magma, „um die Vorherrschaft konkurrieren“. Forschungsergebnisse zeigen, dass, wenn die Kohlendioxidkonzentration einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, die Eruption schnell aus tieferen Tiefen beginnt und in kurzer Zeit ausbricht; Wenn der Einfluss von Wasser stärker ist, wird der Eruptionsprozess hauptsächlich durch die flache Struktur gesteuert, und das Magma stagniert in der Nähe der Oberfläche, entgast und bricht dann aus.
Derzeit wendet Gazelles Team die gleiche Methode auf viele Vulkane in Chile, Hawaii und anderen Regionen an, in der Hoffnung, eine größere Auswahl an feinen Modellen interner Rohre in Vulkanen zu bauen. Er sagte, dass diese Art der Analyse idealerweise an jedem Vulkan der Welt durchgeführt werden sollte, da diese Basisdaten für die Erstellung physikalischer Modelle von Eruptionen und die Verbesserung des Risikobewertungssystems für vulkanische Gefahren von entscheidender Bedeutung seien.
Neben seinem wissenschaftlichen Wert ist der Ätna auch auf kultureller Ebene interessant. In der antiken griechischen Mythologie gilt sie als Grabstätte der Riesen Typhon und Enceladus. Gazelle verglich die unterirdischen Röhrensysteme der beiden Ausbrüche anschaulich mit diesen beiden mythischen Giganten: Der plinianische Ausbruch im Jahr 122 v. Chr. entsprach einer schlanken und gewundenen Röhre vom „Typhon-Typ“, während das ältere Ereignis einer kleineren Struktur vom „Enceladus-Typ“ ähnelte. Er gab zu, dass es schwierig sei, sich während der Arbeit am Ätna nicht von der Geschichte, der klassischen Kultur und dem lokalen Essen hier anziehen zu lassen.
Es wird berichtet, dass die Studie „Deep Origin and Shallow Launch for the Etna 122 B.C. Mafic Plinian Eruption“ (Deep Origin and Shallow Launch for the Etna 122 B.C. Mafic Plinian Eruption) von der National Science Foundation finanziert wurde. Das Papier wurde am 2. Juni 2026 offiziell veröffentlicht und lieferte detaillierte theoretische Modelle und Beobachtungsdaten, die eine wichtige Referenz für die künftige Erforschung und Risikobewertung globaler Vulkanausbruchmechanismen darstellen.