Lehrerinfos zum Kit 9: Vulkane: der Ätna
Über Satellitenbilder Geologie und Geotektonik erkunden;
Katastrophenmanagement

Das Themenset Nr. 9 setzt sich mit Vulkanen auseinander.

Es bietet folgende Möglichkeiten:

• Erkunden der wichtigsten Vulkane Europas;
• Erkennen der mit der Vulkantätigkeit verbundenen Phänomene;
• Erkunden der Wechselbeziehungen zwischen Mensch und Vulkanismus

Vulkanismus

Das Verständnis und die Lokalisierung von Vulkanen weltweit setzt die Auseinandersetzung mit der Plattentektonik voraus. Der feste obere Teil der Erdkruste, die Lithosphäre, ist ca. 100 km dick und umfasst die Kontinente sowie den Grund der Ozeane. Sie besteht aus der Erdkruste und dem oberen Teil des Erdmantels und ist in sechs tektonische Hauptplatten und in sechs kleinere Platten aufgeteilt. Diese Platten „schwimmen“ auf der zähflüssigen Asthenosphäre, die Konvektionsströmungen ausgesetzt ist. Die Bewegung der Platten führt zur Bildung großer Bruchsysteme in der Erdkruste, die das Aufsteigen von Magma begünstigen. Die Beziehungen zwischen Vulkanismus und seismischer Instabilität sind heute erwiesen (Bestes Beispiel "Pazifischer Feuerring").  Gebiete mit aktiven Vulkanen sind zugleich auch Erdbebenregionen.

Vulkanausbrüche unterscheiden sich je nach Art und Form der in der Magmakammer vorkommenden Materie. Es wird zwischen folgenden wichtigen Eruptionstypen unterschieden: hawaiianischer Typus (flache Lavakuppe = Schildvulkan, keine Explosion, wenig Auswürfe, ergiebige dünnflüssige Lavaströme), strombolianischer Typus (abwechselnder Ausstoß von Gasen mit Auswürfen und Lavaströmen, die sich in Schichten auf dem Vulkankegel ablagern = Stratovulkan) und plinianischer Typus (heftige Gasexplosionen, Glutwolken, Bildung von Schlotpfropfen, sog. Vulkandome). In Bezug zur Plattentektonik gibt es eine eigene Typenbildung. Ein Vulkan kann Phasen verschiedener Eruptionstypen durchlaufen, sich also im Typ über Jahrhunderte verändern. Die Aktivität von Vulkanen ist unregelmäßig und nicht genau vorhersehbar.

Die Menschen im Umfeld eines Vulkans leben mit der ständig drohenden Naturgefahr, sie nutzen gleichzeitig aber auch die Vorteile, die ihnen ein Vulkan bringt. Der dramatische Ausbruch des Vesuvs vor knapp 2 000 Jahren hat Plinius beschrieben, aber auch jüngere Vulkanausbrüche wie der des Pinatubo auf den Philippinen, des Nevado del Ruiz in Kolumbien oder auf der Karibikinsel Montserrat führen uns vor Augen, dass der Vulkanismus eine unkontrollierbare Gefahr darstellt. Die positiven Seiten scheinen aber zu überwiegen, wenn der Mensch trotz der Gefahr auf und in der Nähe von Vulkanen lebt. Aus den Ascheablagerungen an den Flanken oder am Fuß von Vulkanen bilden sich allmählich äußerst fruchtbare Böden für eine sehr ertragreiche Landwirtschaft. Thermalquellen (= postvulkanische Erscheinungen) und die typische Vulkanlandschaft fördern den Tourismus und den Kurbadebetrieb. Die Nutzung von Vulkanerde und -gestein (Pozzolanerde, Andesit, Basalt, …) bietet weitere Einkommensquellen.  

Deckblatt

Aufnahme Deckblatt: Der Ätna-Krater (Proba / Chris)

Proba ist ein kleiner, im Jahr 2002 von der ESA gestarteter Testsatellit mit einem Gewicht von nur 94 kg, der die Erprobung neuer, automatischer Funktionen ermöglicht. Er ist unter anderem mit einem leistungsstarken Instrument (Chris), einer hoch auflösenden Multispektralkamera, ausgestattet. Diese Aufnahme entstand am 30. Oktober 2002.

Mittelteil

Bild Nr. 1: Digitales Höhenmodell von Europa und dem Mittelmeerraum

Dieses digitale Höhenmodell (= DHM – Englisch: Digital Elevation Model, DEM) von Europa und dem Mittelmeerraum zeigt unter anderem das Unterwasserrelief.

Wie entsteht ein solches DHM? Über Radar-Messungen vom Satelliten (z.B. ERS) lassen sich die Landerhebungen sehr genau messen, doch Radar durchdringt nicht das Meerwasser. Über Sonarmessungen (Echolot auf Schiffen) lässt sich das Relief des Meeresgrundes erkunden. Doch diese Messungen gehen stets von der Meeresoberfläche am Messort aus. Seit man satellitengestützte Altimeter zur Messung der Meereshöhen (= Niveau der Meeresoberfläche in Abweichung vom Geoid) im Zentimeterbereich  einsetzt, weiß man, dass die Meeresoberfläche alles andere als eben ist. Ebbe und Flut sind schon lange bekannt, doch die unterschiedliche Gravitation bedingt durch den geologischen Aufbau des Erdinneren führt zu erheblichen Abweichungen vom Geoid, d.h. auf den Ozeanen gibt es großräumige Erhebungen und Absenkungen. Die satellitengestützten Altimeter erlauben nun die Korrekturen bisheriger Meerestiefen. Daraus enstehen dann zuverlässige digitale Höhenmodelle des Meeresgrundes. Am Beispiel erkennt man wie sich die geologischen Strukturen vom Land ins Meer fortsetzen.

Bild Nr. 2: Sizilien und der Ausbruch des Ätna (Envisat / MERIS)

Die ausgestoßenen Aerosole und Gase haben regional und global Auswirkungen auf die Atmosphäre. Die durch das Schwefeldioxid erzeugte Schwefelsäure kann mehrere Jahre in der Atmosphäre verbleiben. Mithilfe von Satelliten ist es möglich, die Entwicklung und Auswirkungen auf Atmosphäre und Wolken nachzuvollziehen und zu analysieren. Diese Aufnahme entstand am 28. Oktober 2002.

Bild Nr. 3: Der Ausbruch des Ätna (Spot-5)

Der Ätna ist mit einer Höhe von 3 370 m der höchste und zugleich aktivste Vulkan Europas.

Seine Auswürfe können Geschwindigkeiten bis 450 m pro Sekunde erreichen und somit die Schallgeschwindigkeit übertreffen. Diese Aufnahme zeigt Lavaströme aus verschiedenen Nebenkratern.

Bild Nr. 7: Darstellung des Ätna mit Radarinterferometrie (Envisat)

Die Interferometrie ist eine Technik, die eine Vermessung des Reliefs im Dekameterbereich sowie die Erfassung von Bodenbewegungen im Millimeterbereich ermöglicht. Sie besteht in der Kombination der Wellenphasen von zwei Radarsignalen desselben Gebietes, die meist zu unterschiedlichen Zeiten oder aus zwei leicht verschiedenen Positionen aufgezeichnet wurden. So entsteht ein Interferogramm, aus dem das Relief berechnet werden kann. Ist der Abstand der beiden Aufnahmepositionen klein (etwa im Meterbereich), kann das Interferogramm auch Erdverschiebungen im Millimeterbereich aufzeigen. Dies ist möglich, weil die Phasen des rückgestreuten Signals eines jeden Objektes am Boden (jeder Stein etc.) gemessen und verglichen werden. Über größere Oberflächen kann auf diese Weise eine relative Bewegung der Erdoberfläche (Aufblähen eines Vulkans vor der Eruption oder Krustenbewegungen nach einem Erdbeben etc.) sichtbar gemacht werden. Auf einem bildmäßigen Interferogramm sind die Phasendifferenzen meist zyklisch in Farbe dargestellt. Ein Farbzyklus stellt in diesem Fall die Verschiebung einer Oberfläche um 2,8 cm in Richtung des Satelliten dar und entspricht im Fall des Radars auf Envisat der halben Wellenlänge des Radarsignals.

Diese komplexe Technik wird zur Überwachung von Bodenbewegungen – insbesondere der auf den Magmadruck zurückzuführenden Ausdehnung von Vulkanen – oder Vorzeichen von Erdrutschen eingesetzt. Sie kann als Ergänzung von seismografischen Messungen am Boden herangezogen werden.

Seite 5 – Ausbruch des Ätna im Jahr 2001

Bild Nr. 9: Lavastrom am Ätna (Spot-5)

Dieses Bild ist eine Vergrößerung der im Mittelteil abgebildeten Spot-Aufnahme. Besonders gut zu erkennen ist eine Serpentinenstraße, die wieder auf dem Lavastrom gebaut wurde, der sie zuvor zugeschüttet hatte.

Bild Nr. 11: Wärmeströme an den Flanken des Ätna

Die Internationale Charta zum Katastrophenmanagement wurde nach einem Ausbruch des Ätna am 26. Juli 2001 aktiviert. Der Vulkan bedrohte das in der Achse des Lavastroms gelegene Dorf Nicolosi mit 5 000 Einwohnern.

Diese Karte zeigt, welche Informationen von den Mitgliedern der Charta rasch bereitgestellt werden können: die Entwicklung der Wärmeströme vom 29. Juli 2001 im Vergleich zu denen vom 21. Juli ist rot und blau eingezeichnet. Erstellt wurde die Karte anhand von Bildern des Satelliten Landsat.

Seite 6 – Die Funktionen von Erderkundungssatelliten

Bild Nr. 18: Die Internationale Charta zum Katastrophenmanagement

Im Juli 1999 beschlossen die französische Raumfahrtagentur CNES und die Europäische Weltraumorganisation ESA, ihre Satellitensysteme für die Prävention und das Management von Natur- und Industriekatastrophen bereitzustellen. Die Internationale Charta zum Katastrophenmanagement trat offiziell am 1. November 2000 in Kraft und hatte im Januar 2007 zehn Mitglieder.

Die Koordination und Bündelung der Raumfahrtkapazitäten mehrerer Raumfahrtagenturen ist für die Überwachung und Beobachtung eines Krisengebiets unerlässlich.

Die Mobilisierung mehrerer Satelliten garantiert, dass im Katastrophenfall die dem betroffenen Gebiet am nächsten positionierten und geeignetsten Satelliten ihre Sensoren sofort auf das Katastrophengebiet richten. Die restlichen Satelliten auf der erdnahen Umlaufbahn, die die gesamte Erde im Durchschnitt alle zwei bis drei Tage abdecken, stellen ebenfalls nützliche Aufnahmen bereit, um das ganze Ausmaß der Katastrophe im Detail ermessen zu können, ihre Auswirkungen zu überwachen und genaue Karten für die Rettungskräfte und Katastrophenhelfer zur Verfügung zu stellen.

Anhang – zwei Auszüge aus der Charta:

1 – In Krisenzeiten Staaten und Gemeinschaften, in denen Personen, Tätigkeiten oder Sachen von einer unmittelbar bevorstehenden Natur- oder technischen Katastrophe bedroht sind oder bereits geschädigt wurden, Daten zur Verfügung zu stellen, aus denen geeignete Informationen für die Krisenvorhersage und das Krisenmanagement gewonnen werden können.

2 – Mit diesen Daten sowie den aus dem Einsatz der weltraumtechnischen Einrichtungen hervorgegangenen Informationen und Diensten zur Organisation der Hilfsaktionen und Nachsorge beizutragen.

Unterrichtsideen

Level 1, Jgst. 5 und 6:

- zum Kit
- zum Thema Vulkane
- zum Thema Erdbeben/Seismik
- zum Thema Plattentektonik

Level 2, Jgst. 7 mit 9:

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- zum Thema Vulkane
- zum Thema Erdbeben/Seismik
- zum Thema Plattentektonik

Level 3, Jgst. 10 mit 12:

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- zum Thema Erdbeben/Seismik
- zum Thema Plattentektonik