Wissenschaftler sind seit langem von den heftigen, elektrischen Ereignissen fasziniert, die mit großen Vulkanausbrüchen einhergehen. Während des Ausbruchs von Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai im Jahr 2022 war das Ausmaß dieses Phänomens atemberaubend: Ein einzelner Ausbruch erzeugte mehr als 2.600 Blitze pro Minute, wobei die elektrische Aktivität Höhen von 31 Kilometern (19 Meilen) über dem Meeresspiegel erreichte.
Während diese „Vulkanblitze“ optisch atemberaubend sind, stellen sie in der Vergangenheit ein bedeutendes wissenschaftliches Rätsel dar, wie in einer solchen Umgebung Elektrizität erzeugt wird.
Das Geheimnis der aufladenden Wolke
Um zu verstehen, warum diese Entdeckung wichtig ist, muss man sich zunächst ansehen, wie Standardblitze funktionieren. Bei einem typischen Gewitter entstehen elektrische Ladungen durch Kollisionen verschiedener Teilchenarten:
– Eiskristalle steigen bei Aufwinden auf und nehmen eine positive Ladung auf.
– Graupel (weicher Hagel) fällt und nimmt eine negative Ladung auf.
Durch die Trennung dieser gegensätzlichen Ladungen entsteht die elektrische Spannung, die sich schließlich als Blitz entlädt.
Vulkanwolken unterscheiden sich jedoch grundlegend. Anstelle von Eis und Hagel bestehen sie aus trockener Asche und Gesteinssplittern. Da diese Partikel oft aus demselben Gesteinsmaterial bestehen, hatten Wissenschaftler Schwierigkeiten zu erklären, wie Kollisionen zwischen ihnen zur Trennung positiver und negativer Ladungen führen könnten. Unter normalen Umständen sollten Partikel gleicher Zusammensetzung keine nennenswerten elektrischen Ladungen aufeinander übertragen.
Der Durchbruch: Die Rolle von Kohlenstoff
Eine neue, in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Studie des Institute of Science and Technology Austria hat endlich das fehlende Glied identifiziert. Das Geheimnis liegt nicht im Vulkangestein selbst, sondern in einer mikroskopisch kleinen Schicht aus kohlenstoffreichen Molekülen, die die Partikel umhüllt.
Die Ergebnisse der Forscher offenbaren einen entscheidenden Unterschied:
– Reines Siliciumdioxid: Als Wissenschaftler perfekt saubere Siliciumdioxidpartikel testeten, zeigten sie kaum oder gar keine Tendenz, bei Kollisionen eine Ladung aufzunehmen.
– Kohlenstoffbeschichtetes Siliciumdioxid: Wenn eine dünne Kohlenstoffschicht vorhanden war, begannen die Partikel bei Kollisionen effektiv Ladungen zu übertragen.
Diese „Kontamination“ ist kein Zufall. Die starke Hitze eines Vulkanausbruchs reicht aus, um mit den in der Umgebungsluft vorhandenen kohlenstoffhaltigen Molekülen zu reagieren und die Aschepartikel effektiv mit einer dünnen, leitfähigen Kohlenstoffschicht zu „bemalen“.
Warum das wichtig ist
Diese Entdeckung schließt die Lücke zwischen Meteorologie und Vulkanologie. Es erklärt, wie die einzigartige Thermodynamik einer Eruption – insbesondere die extreme Hitze und die starken Aufwinde – das perfekte Labor für elektrische Aufladung schafft.
Die Hitze sorgt für die Kohlenstoffbeschichtung, während die Aufwinde die Hochgeschwindigkeitskollisionen verursachen, die zur Trennung dieser Ladungen erforderlich sind. Dieser Mechanismus verwandelt eine trockene Trümmerwolke in einen massiven, elektrisch aktiven Motor, der die heftigsten Blitzeinschläge auf der Erde erzeugen kann.
Durch die Identifizierung des chemischen „Klebstoffs“, der es der Asche ermöglicht, sich wie Eiskristalle zu verhalten, können Wissenschaftler nun das elektrische Verhalten von Vulkanwolken und die potenziellen Risiken, die sie für die Luftfahrt und die lokale Umwelt darstellen, besser modellieren.
Schlussfolgerung
Das Vorhandensein von Kohlenstoffbeschichtungen auf Vulkanasche erklärt, wie trockene Gesteinsfragmente entstehen können
