Wie beeinflussen pyroklastische Partikel das akustische Signal von explosiven Vulkanausbrüchen

• Antragsteller: Dr. Ulrich Küppers, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419092521

Während explosiver Vulkanausbrüche wird Magma zerbrochen und als Tephra ausgeworfen. Die dafür benötigte Energie beruht auf einer variablen Kombination von intrinsischen (Ausgasen von im Magma gelösten Volatilen) und extrinsischen (Verdampfen von externem Wasser) Prozessen. Tephra in der Atmosphäre kann sowohl im Nah- als auch im Fernfeld eine große Gefahr darstellen. Zeitpunkt und Intensität eines Ausbruchs sind bis dato nicht bzw nur unzureichend vorherzusehen, sind jedoch essentiell, um Gefährdungen abzuschätzen und zu mildern.Vulkanische Aktivität kann direkt im Gelände sowie aus der Ferne überwacht werden, z.B. via Deformationsmessungen von Satelliten aus oder erdgestützten seismischen und akustischen Messungen. Insbesondere akustische Signale werden zunehmend zur Überwachung aktiver Vulkane auch in abgelegenen Gebieten verwendet. Vulkane senden Signale im sowohl akustischen als auch im Infraschallbereich aus. Ziel ist es, die gemessenen akustischen Signale mit den sie erzeugenden Eruptionsprozessen zu korrelieren Die Interpretation dieser Signale ist jedoch nach wie vor schwierig, da die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze sich auf reine Luftströmungen beziehen. Es gibt bis dato keine umfangreichen Datensätze, die den Einfluss der an Vulkanen relevanten Rahmenbedingungen erklärt.Im Rahmen dieses Projekts ist geplant, den Einfluss der an Vulkanen zu erwartenden, dynamischen Bedingungen auf die messbaren akustischen Signale zu bestimmen, insbesondere- die Anwesenheit von (vulkanischen) Partikeln sowie deren Menge und Größe;- Menge und Temperatur des ausgestoßenen Gases;- Volumen und Anfangsdruck des ausgestoßenen Gases;- Geometrie des Vulkankraters („Düsenform); sowie- Die Morphologie des gesamten Vulkangebäudes.Zu diesem Zweck werden maßstabsgetreue, speziell konstruierte Stoßrohrversuche entwickelt und durchgeführt, um impulsive Vulkanausbrüche („starting jets“) zu simulieren. Diese Experimente werden die oben genannten Parameter bestimmen und somit einzigartige Einblicke in die Dynamik partikelbeladener Jets und ihrer akustischen Eigenschaften zu gewinnen. Dieses Projekt verbindet die Analyse vulkanischer Ausbrüche mit skalierten und reproduzierbaren Laborexperimenten und numerischen Simulationen zu Schallproduktion und –ausbreitung. Die Ergebnisse werden die Interpretierbarkeit der während explosiver Vulkanausbrüchen generierten akustischen Signale auf eine neue Stufe heben und damit einen entscheidenden Beitrag zu einer verbesserten Beschreibung liefern. Dies dient in vollem Maße einer präzisen Risikoabschätzung und damit verbundenem Schutz von Mensch und Infrastruktur im Umfeld aktiver Vulkane.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Donald Bruce Dingwell; Dr.-Ing. Juan José Peña Fernández; Professor Dr. Jörn Lothar Sesterhenn
• Kooperationspartner: Dr. Jacopo Taddeucci
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Valeria Cigala, bis 8/2022