De uitbarsting ontleed

Een laboratorium in München bootst vulkanen na. Elke grote uitbarsting begint met snel uitdijend gas en brekend magma. Maar zo’n eruptie voorspellen blijft lastig.

De vulkaan Tavurvur op Papoea Nieuw Guinea barstte twee weken geleden uit. In 1994 gebeurde dat ook en werd de nabijgelegen stad Rabaul vernietigd. Foto AFP

Vulkanoloog Ulrich Küppers gebaart dat de oorbeschermers opmoeten. Met andere woorden, het grote moment is bijna aangebroken hier in deze universiteitskelder in München. Hij heeft net een stukje poreuze lavasteen in een koker geplaatst, gas erin laten stromen en de druk tot 150 bar opgevoerd. Nu telt hij af. „Drie, twee, één.” Küppers draait snel aan een T-hendel. En dan: BAM!! Een keiharde knal. Hij heeft zojuist een explosieve vulkaaneruptie nagebootst.

Dit soort proeven doen vulkaanonderzoekers op slechts een paar plekken ter wereld. Een ervan is hier, bij de groep van Donald Dingwell, hoogleraar experimentele vulkanologie aan de Ludwig-Maximilians-Universität. Ze simuleren hier erupties, in een apparaat dat de shock tube wordt genoemd. De groep heeft zo de basale processen weten te achterhalen die tot een klassieke uitbarsting leiden. Vandaar het bezoek aan hun lab. Want er barstten de afgelopen weken vulkanen uit in de VS, Japan, Papoea Nieuw Guinea en op IJsland.

Het waren allemaal ‘explosieve’ uitbarsingen. Dat is de klassieke vulkaanuitbarsting, het type dat Dingwells groep onderzocht. Maar deze recente erupties bleven bescheiden en richtten weinig schade aan. Hoe kan dat? En in hoeverre is een uitbarsting te voorspellen?

„Van elke eruptie leren we”, zegt Dingwell op zijn werkkamer op de derde verdieping. „Maar voorspellen of hij explosief zal zijn, wanneer die plaatsvindt en in welke stijl, is voorlopig nog erg lastig. Er zijn zoveel variabelen. Het is gewoon verdomd ingewikkeld.”

Wel bekend is het centrale proces dat tot een explosieve uitbarsting leidt: de fragmentatie van magma, ook wel de glass transition genoemd. „Een vloeistof, in dit geval magma, gaat dan glasachtig gedrag vertonen. Het breekt”, legt Dingwell uit. Dat gebeurt als die vloeistof niet snel genoeg kan vervormen in reactie op een snel groeiende druk. Hij krijgt de kracht van die druk niet snel genoeg weggewerkt, zegt Küpper, die naast Dingwell aan tafel zit. „Denk aan een glas dat kapot valt. Als je het tweeduizend jaar de tijd geeft, zal het niet breken, maar vervormen. Het krijgt de tijd om de impact van de val te verwerken.”

Versneld uitdijen

Dat de druk op magma toeneemt is het gevolg van het versneld uitdijen van gasbellen. Naarmate het hete magma dichter bij het aardoppervlak komt, daalt de druk – er ligt minder massa boven. Op een gegeven moment vormen zich gasbelletjes. Water dat opgelost is in het magma trekt de gasbellen in en verdampt. De gasbellen, zegt Küppers, zetten razendsnel uit. „Een druppel water neemt 1.600 keer minder volume in dan eenzelfde hoeveelheid waterdamp.” Het lichtere gas wil omhoog. Dat kan, als de viscositeit van het magma laag genoeg is. Dan geeft de vloeistof mee, en kan de vulkaan ontgassen. Maar het kan ook dat het magma heel dik en taai is geworden. Opstijgend magma wordt sowieso snel stroperiger, vanwege de ontwatering.

De belangrijke vraag is: hoe stroperig? Is het magma te taai, en vervormt het te langzaam om de toenemende gasdruk nog weg te werken, dan komen er barsten in het magma. „Vele kleine barstjes komen samen en vormen grotere barsten”, zegt Dingwell. „Totdat, KEBAM, het uitzettende gas de boel tot explosie brengt.”

Dat is wat er in de kelder bij de proefopstelling gebeurde, zegt Küppers. „Door aan de T-hendel te draaien heb ik de druk in de koker weg laten vallen”, zegt hij. Het gas, dat overal in de poriën van de lavasteen is doorgedrongen, zet razendsnel uit. Een enorme kracht komt vrij. Resultaat: fragmentatie van de steen.

Dingwell heeft het proces al in 1996 in Nature beschreven. Het duurde nog jaren voordat alle vakgenoten het accepteerden, zegt hij. „De traditionele vulkanologie werd volkomen gedomineerd door veldwaarnemingen. Je moest dicht bij de berg zijn, om hem te kunnen doorgronden.”

Zijn mensen zitten trouwens niet alleen maar in het lab, vult hij snel aan. Ze reizen ook naar vulkanen, verzamelen gesteente, en doen onderzoek. Bij de Etna en de Stromboli in Italië bijvoorbeeld (daar is Küppers deze week). Of naar de Merapi op Java (daar is Dingwell nu). En een van zijn onderzoekers is op IJsland, waar sinds twee weken lava uit aardspleten spuit.

Dingwell bestudeert de laatste jaren allerlei variabelen die bij erupties een rol spelen. De stroperigheid van het magma hangt samen met de temperatuur, de gassen die erin opgelost zijn, de hoeveelheid siliciumdioxide. Magma’s met weinig siliciumdioxide (SiO2) zijn erg vloeibaar, en niet explosief. Je vindt dit type bij de zogeheten schildvulkanen op oceaanbodems, daar waar twee aardplaten uit elkaar drijven.

Verder kijkt hij naar de seismiek van de fragmentatie. Geeft dat een typisch signaal af? Wellicht helpt het bij het voorspellen van een explosieve eruptie. Hetzelfde geldt voor de gassen die uit een vulkaan ontsnappen. Zegt de samenstelling iets over de snelheid en kracht van een eventuele fragmentatie? „Het kan ons wellicht helpen beter te bepalen of je ergens honderd mensen moet evacueren, of duizenden.”

Onlangs lukte het de groep van Dingwell, als eerste, een bekend fenomeen bij explosieve erupties na te bootsen: bliksem. Het onderzoek stond afgelopen december in het tijdschrift Geology. Bliksem blijkt te ontstaat als er zowel grovere als fijnere asdeeltjes zijn. Het grove as vormt een verticale kolom van positief geladen deeltjes, het fijne gruis danst er als wolkjes negatief geladen deeltjes omheen. Dingwell: „Als we bliksem in de praktijk gaan monitoren, krijgen we extra informatie over de aspluim. En dan kunnen we de verspreiding van as wellicht beter voorspellen.”