Vulkaanuitbarstingen vanuit de ruimte

Pluimen, wolken en mesocyclonen

Vulkaanuitbarstingen vanuit de ruimte Satellietbeelden en ruimtefoto’s kunnen de uitstoot van vulkanen prachtig in beeld brengen. Als de wind het rijk alleen heeft vormen zich aspluimen of aswolken. In sommige gevallen krijgt het met grote snelheid omhoog komende hete gas en gesteente zijn eigen dynamiek. Dan vormt zich volgens een nieuwe theorie een vulkanische mesocycloon, die net als zware onweersbuien vergezeld kan worden door bliksemontladingen en hozen.

V

erspreid over de aarde liggen ongeveer vijftienhonderd jonge vulkanen. Gezamenlijk zijn ze goed voor ongeveer zestig uitbarstingen per jaar. De omvang en hevigheid van de uitbarstingen loopt sterk uiteen. Kleine erupties komen geregeld voor, grotere zijn veel zeldzamer. Een vulkaanuitbarsting duurt een paar minuten tot enkele tientallen uren. Een actieve periode kan maanden tot jaren duren.

De wolken en pluimen die vulkanen tijdens een eruptie uitstoten, bevatten vulkanische as en gassen als zwaveldioxide en kooldioxide.

Ze vormen een gevaar voor het vliegverkeer (zie ook Zenit juli/augustus 2004) en worden dan ook zo goed mogelijk in de gaten gehouden. Sommige vulkanen worden met webcams, radar of vanuit bemande waarnemingsposten voortdurend bewaakt. Veel andere

vulkanen zijn eveneens actief, maar liggen ver weg van de bewoonde wereld. Om te weten of zo’n vulkaan actief is, moet men terugvallen op stralingsmetingen en foto’s vanuit de ruimte. Van daaruit zijn uitbarstingen van vulkanen met de bijbehorende pluimen en aswolken schitterend in beeld te brengen. Actuele waarnemingen van routinematig overkomende satellieten, zoals de Amerikaanse Terra en Aqua, komen enkele malen per dag beschikbaar, zodat daarin van de meeste erupties wel iets terug te vinden is. Bij foto’s vanuit het incidenteel overkomende internationaal ruimtestation ISS gaat het meer om toevalstreffers: het ruimtestation moet op het goede moment op de

Figuur 2:vulkaanuitbarstingen met langgerekte aspluimen. Links: de 1122 meter hoge vulkaan Chaitén, Zuid-Chili.

Vegetatie is rood, kale grond en as bruin, water diep blauw en bewolking, sneeuw en de pluim van de vulkaan wit.

Datum: 19 januari 2009. Instrument: ASTER. Satelliet: Terra. Bron: NASA/Earth Observatory.

Rechts: Noordwestenwinden voeren tijdens een uitbarsting de as van de 3323 meter hoge Etna op Sicilië, Italië, naar het zuidoosten. De foto werd met een digitale camera gemaakt vanuit het ISS op 22 juli 2001. (Bron: NASA)

goede plek zijn om de bemanning in staat te stellen een uitbarsting met de digitale camera vast te leggen.

Gelukkig doet zo’n situatie zich nu en dan voor en komt er van tijd tot tijd spectaculair fotomateriaal naar buiten. Dat was onlangs nog het geval in juni 2009, toen de uitbarsting kon worden gefotografeerd van de vulkaan Sarychev Peak op het eiland Matua, een van de Russische Koerilen in de Zee van Ochotsk (figuur 1).

Kees Floor Kees Floor verzorgt cursussen, workshops, lezingen en geschreven teksten over het weer en aanverwante onderwerpen. Veel van zijn bijdragen aan Zenit (en andere tijdschriften) zijn te vinden op keesfloor.nl.

452

ZENIT OKTOBER 2009

Figuur 1:uitbarsting van de 1496 meter hoge vulkaan Sarychev Peak op het eiland Matua, een van de Russische Koerilen in de Zee van Ochotsk, gezien vanuit het ISS op 12 juni 2009. In plaats van een strakke pluim of een diffuse aswolk ontwikkelt zich in dit geval boven een kolom met uitgestoten as een bruin scherm van vulkanische deeltjes. De foto werd gemaakt met een digitale camera vanuit het internationale ruimtestation ISS. (Bron: NASA/ ISS020E009048)

Wisselwerking met wind De uitbarstingen van vulkanen veroorzaken vaak langgerekte pluimen met stoom en as. Op de beelden vanuit de ruimte zijn die pluimen goed te zien, zeker als het contrast met de ondergrond voldoende is.

De door de vulkaan uitgestoten deeltjes en gassen worden in zo’n situatie meegevoerd met de wind, die de aswolk zijn vorm geeft (figuur 2). Naarmate de afstand tot de vulkaan groter wordt, is de pluim breder en nemen de concentraties vulkanische deeltjes en gassen geleidelijk af. Grotere asdeeltjes kunnen zich in de atmosfeer niet zo lang handhaven en vallen uiteindelijk uit de pluim naar beneden; de kleinere deeltjes verblijven langer in de dampkring. Tot zo ver wijkt het beeld niet af van wat je normaal gesproken van een vulkaanuitbarsting mag verwachten.

Als het nauwelijks waait of wanneer de wind veranderlijk is, wordt het beeld duidelijk anders. Van een uitgesproken pluim is niet langer sprake. Ervoor in de plaats komt

een diffuse aswolk, die boven de wijde omgeving van de vulkaan blijft hangen (figuur 3). Ook zo’n situatie past nog goed in onze voorstelling van een uitbarstende vul-

Figuur 3:satellietbeeld in natuurlijke kleuren van een vulkaanuitbarsting met diffuse aswolken van de 2361 meter hoge vulkaan Kartala op de Comoren in de Indische Oceaan tussen Mozambique en de noordpunt van Madagascar. Datum: 24 november 2005. Instrument: MODIS, banden 1, 4 en 3. Satelliet: Terra. (Bron: NASA/GSFC Modis Land Rapid Response Team) ZENIT OKTOBER 2009

453

kaan. De wisselwerking tussen wind en uitstoot is weinig anders dan wat we zien bij schoorstenen van fabrieken en elektriciteitscentrales of bij grote branden (zie bijvoorbeeld Zenit februari 2006).

Scherm met lobben Dit wordt anders bij een derde type aswolk. Daarbij toont het bovenaanzicht van de eruptie een ondoorzichtig scherm, in eerste benadering min of meer cirkelvormig of ovaal, maar bij nadere beschouwing onregelmatiger van vorm door een aantal lobben (figuur 4). De vorm van het geheel doet denken aan een zware onweersbui, van bovenaf gezien. Uit satellietbeelden is niet op te maken wat zich daaronder bevindt, maar gelijktijdige waarnemingen van dergelijke erupties vanaf locaties op het aardoppervlak bieden uitkomst. Men rapporteert dan een min of meer rechtopstaande, ronddraaiende zuil van vulkanisch stof en as. Nu en dan worden tegelijkertijd bliksemontladingen waargenomen (figuur 5). De ontladingen bevinden zich bij voorkeur aan de buitenzijde van de zuil met door de vulkaan uitgestoten deeltjes.

Veel vulkanen zijn als eilandjes gesitueerd in zeeën en oceanen. Dan treden er bij dit parapluvormige type aswolk soms waterhozen op (figuur 6). De overeenkomst tussen de verschijnselen die worden waargenomen bij zware onweersbuien enerzijds en bij vulkaanuitbarstingen anderzijds, beperken zich dus niet tot het bovenaanzicht; de buien en de erupties hebben ook de bliksemontladingen en de hozen gemeen. Zouden de mechanismen die de verschijnselen opwekken aan elkaar verwant zijn?

Figuur 5:uitbarsting van de Chaitén, Zuid-Chili, 3 mei 2008. De eruptie ging onder andere vergezeld van bliksemflitsen. Veel ontladingen treden op aan de buitenrand van een kolom met snel opstijgende vulkanische gassen en as. De opname werd gemaakt vanuit Chana, ongeveer 30 kilometer ten noorden van de vulkaan. (Foto: Carlos Gutierrez/UPI/Landov)

Mesocycloon Onderzoekers van de University of Illinois gaan ervan uit dat dit inderdaad het geval is. In een brief eerder

Figuur 4: erupties met een scherm van vulkanische as en stoom.

Boven: de Chaitén, Zuid-Chili, 6 mei 2008. Diameter scherm ongeveer 115 kilometer. Onder: de 725 meter hoge vulkaan Ruang, Indonesië, 25 september 2002. De vulkanische as drijft naar het westen weg, in de richting van Borneo en Sumatra. Diameter scherm ongeveer 60 kilometer. Beide beelden: Instrument: MODIS, natuurlijke kleuren, banden 1, 4 en 3. Satelliet Terra. (Bron: NASA/GSFC Modis Land Rapid Response Team) 454

ZENIT OKTOBER 2009

Figuur 6: uitbarsting van de 1247 meter hoge vulkaan Kilauea op Hawaï. De uitbarsting gaat vergezeld van een waterhoos. Datum: onbekend. (Foto: Steve and Donna O'Meara) ZENIT OKTOBER 2009

455

dit jaar aan het gezaghebbende Engelse natuurwetenschappelijk tijdschrift Nature komen ze met een nieuwe theorie om de bovenbeschreven verschijnselen te verklaren en hun onderlinge verband aan te geven. Daarbij wijzen ze op de analogie tussen de kolom en wolk van door de vulkaan uitgestoten as en een zogeheten mesocycloon. Een mesocycloon is een wervel van 2 tot 10 kilometer doorsnede die gekoppeld is aan een zware onweersbui, ook wel aangeduid als supercel.

Dergelijke zware onweersbuien, die in Nederland en België naar schatting slechts eenmaal per jaar voorkomen, gaan geregeld vergezeld van hozen en tornado’s. De lucht in een mesocycloon stijgt op en draait tegelijkertijd om een rechtopstaande as; de draairichting is gelijk aan die rond een 'gewoon' lagedrukgebied.

Bron van inspiratie voor de wetenschappers was vooral de foto van de bliksemflitsen tijdens de uitbarstingen van de vulkaan Chaitén in Zuid-Chili in mei 2008 (figuur 5).

Veel van die ontladingen doen zich voor aan de buitenzijde van de kolom met vulkanische as. Ook binnen de mesocycloon van een supercel treden doorgaans geen bliksemontladingen op. De stijgbewegingen gaan er veel te snel om de neerslag de gelegenheid te geven zich te vormen, aan te groeien en lading te verkrijgen. Men spreekt wel van een 'bliksemgat' in de supercel.

Een mogelijke verklaring is dat de neerslag naar buiten wordt geslingerd. Deze komt dan terecht aan de rand van de mesocycloon, waar hij als het ware een ring van bliksemontladingen vormt rond de schacht met opstijgende lucht.

Figuur 7: Boven een aspluim en as op de grond bij Chaitén, Zuid-Chili.

Datum: 5 mei 2008. Instrument: MODIS, valse kleuren, banden 7, 2 en 1. Op dit beeld in valse kleuren is de tint van bewolking met ijs turkoois; de pluim van de vulkaan is wit. Onder: Uitbarsting van de 4750 meter hoge vulkaan Klyuchevskaya Sopka op het besneeuwde schiereiland Kamtsjatka, Oost-Rusland. Op Kamtsjatka zijn ongeveer dertig vulkanen actief. De sneeuw heeft op dit beeld in valse kleuren een rode kleur; de pluim van de vulkaan is wit. Datum: 17 maart 2005. Instrument: MODIS, banden 3, 6 en 7. Beide beelden: Satelliet Terra.

(Bron: NASA/GSFC Modis Land Rapid Response Team) 456

ZENIT OKTOBER 2009

Rotatie Om hun theorie van vulkanische mesocyclonen te ondersteunen, zochten de Nature-auteurs aanvullende argumenten. Zo toonden ze met analyses van satellietbeelden aan dat er inderdaad sprake is van rotatie van de kolom vulkanische as en het daaraan gekoppelde scherm aan de bovenzijde ervan. Dat is geen eenvoudige opgave, want de tijd tussen twee opeenvolgende satellietbeelden is meestal te groot om de bewegingen en vervormingen van zo’n scherm te kunnen volgen.

Gelukkig bleek de uitbarsting van de vulkaan Pinatubo op de Filippijnen in 1991 wel voldoende frequent in beeld gebracht om conclusies te kunnen trekken. Daarbij kon op de uurlijkse beelden voor het eerst inderdaad een draaiing van het scherm worden aangetoond. De draaiing krijgt het uitwaaierende scherm mee van de roterende kolom met uitgestoten vulkanische gassen en as. De rotatie maakt het scherm onstabiel, waardoor het zijn cirkelvorm verliest en lobben ontwikkelt, die ook op de satellietbeelden zichtbaar zijn.

Beschrijvingen De Amerikaanse onderzoekers gingen tevens op zoek naar beschrijvingen van vulkaanuitbarstingen waarin alle kenmerken van de mesocycloon tegelijkertijd werden genoemd: een roterende kolom van vulkanische as, bliksemontladingen en hozen. Waarnemingen van onweer bij vulkaanuitbarstingen bleken gemakkelijk te vinden. Bliksemontladingen deden zich bijvoorbeeld in groten getale voor tijdens het ontstaan van het vulkanische eiland Surtsey bij IJsland van 1963 tot 1967. Ook dit jaar nog werden er bij uitbarstingen van de Mount Redoubt in Alaska met camera’s en bliksemdetectieapparatuur talrijke bliksemontladingen geregistreerd en gefotografeerd. Van tijd tot tijd verschijnen er ook foto’s of verslagen van waterhozen tijdens vulkaanuitbarstingen. Voor een rapportage waarin alle drie de verschijnselen tegelijk werden genoemd, moesten ze echter bijna 200 jaar teruggaan. In 1811 nam een Engelse zeekapitein in de buurt van de Canarische eilanden zo’n uitbarsting waar en stelde daarvan een beschrijving op die aan de gezochte criteria voldeed. Deze rapportage uit 1811 vormde, naast de foto met bliksemontladingen en bliksemgat van figuur 5 uit 2008 en de aange-

Figuur 8:veranderingen van het eiland Matua door de in figuur 1 getoonde uitbarsting van de vulkaan Sarychev Peak in juni 2009. Vegetatie is rood, kale grond en as bruin, water diep blauw en bewolking, sneeuw en ‘rook’ van de vulkaan wit. Het bovenste beeld is van 26 mei 2007; het beeld onder van vlak na de eruptie. Door de uitbarsting is alle vegetatie op de noordwestelijke helft van het eiland verdwenen. Instrument: ASTER. Satelliet: Terra. Bron: (NASA/Earth Observatory) ZENIT OKTOBER 2009

457

toonde rotatie van een scherm aan de bovenzijde van de askolom van de Pinatubo uit 1991 een derde pijler onder de nieuwe theorie van het mesocycloongedrag van aszuilen tijdens vulkaanuitbarstingen.

Bovenaanzicht Verreweg de meeste satellietbeelden bij dit artikel zijn gebaseerd op meetgegevens van de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) op de Amerikaanse satellieten Terra en Aqua. Het instrument meet onder andere door het aardoppervlak of door bewolking, stof en as gereflecteerd zonlicht in de kleuren rood, groen en blauw. Op basis van de meetresultaten kan een satellietbeeld worden geconstrueerd in natuurlijke kleuren, dat sterk doet denken aan een foto. Belangrijk verschil is dat het beeldveld niet op een en hetzelfde moment wordt getoond; het beeld is namelijk opgebouwd uit stroken van opeenvolgende scans van de aarde. We zien de vulkanen en de rookpluimen of aswolken die ze uitstoten daardoor altijd pal van boven.

Figuur 9: ISS-beelden van vulkaanuitbarstingen met langgerekte aspluimen. Boven: de Etna, 30 oktober 2002. De kijkrichting is zuidoost, schuin naar beneden. Onderin de atmosfeer voeren noordwestenwinden de vulkanische as naar het zuidoosten.

Hoger in de dampkring is de stroming noordelijk en beweegt de vulkanische as naar het zuiden. De lichtgetinte pluimen die beginnen onder de top worden veroorzaakt door bosbranden, die door de hete lava zijn aangestoken. Bron: NASA/ ISS005E19016. Onder: de 1730 meter hoge vulkaan Cleveland op Chuginadak Island in de Aleoeten bij Alaska. De foto werd gemaakt kort na het begin van een eruptie op 23 mei 2006. De aspluim breidt zich vanaf de top uit naar het westzuidwesten. De bemanning van het ISS was de eerste die de uitbarsting signaleerde en vervolgens direct meldde aan het Alaska Volcano Observatory. Twee uur later was de eruptie al weer voorbij en dreef de van de vulkaan losgekomen aswolk met de wind mee weg.

De opname werd gemaakt met een digitale camera en een lens met een brandpuntafstand van 800 millimeter. (Bron: NASA/ISS013E24184) 458

ZENIT OKTOBER 2009

Contrast De uitstoot van vulkanen is vooral goed te zien als er voldoende contrast is met de ondergrond. Boven zee is dat vrijwel altijd het geval.

Ook een bruine pluim boven een besneeuwd landschap doet het goed. In andere gevallen is de uitstoot van vulkanen moeilijker zichtbaar. Dat geldt bijvoorbeeld voor een witte pluim boven sneeuw, al willen schaduwen dan nog wel eens uitkomst bieden. In dat soort gevallen kan men ook gebruik maken van beelden in ‘valse kleuren’. De MODIS verzamelt namelijk ook stralingsgegevens in het infrarood en nabij-infrarood. Combinatie daarvan met zichtbaarlichtmetingen levert beelden op als weergegeven in figuur 7. In de groenige figuur, gebaseerd op metingen in het infrarood en het zichtbaar licht, kan beter dan in een ‘gewoon’ beeld in natuurlijke kleuren een onderscheid gemaakt worden tussen as op de grond, de pluim van de vulkaan en bewolking, voornamelijk bewolking bestaand uit ijskristallen. IJswolken zijn turkoois, op het satellietbeeld doorweven met het wit van waterwolken. De hete uitstoot van de vulkaan bevat geen ijs en is dus geheel wit. De as op de grond is half doorzichtig grijswit, met hier en daar een plukje groen, waar nog vegetatie

aanwezig is. Land zonder begroeiing heeft een bruine kleur. Bij het rood getinte satellietbeeld in figuur 7 zijn eveneens valse kleuren gebruikt om het contrast te vergroten.

Doordat sneeuw in dit beeld rood wordt weergegeven, onderscheidt de vulkaanpluim zich duidelijk van de ondergrond.

ASTER Op de Terra-satelliet wordt naast de MODIS de Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) meegevoerd.

De resolutie van de ASTER is hoger: de Amerikanen en Japanners die bij de ontwikkeling van het instrument betrokken zijn, beschouwen het instrument als de 'zoomlens' van de Terra. De waarnemingen worden doorgaans gepresenteerd in valse kleuren; een voorbeeld geeft het satellietbeeld van de pluim van de Chaitén van 19 januari 2009 (figuur 2, links). Op het ASTER-beeld is vegetatie rood, kale grond en as bruin en water diep blauw. De pluim van de vulkaan is door en door wit en dik genoeg om de ondergerond aan het zicht te onttrekken.

Door hun hoge mate van detail lenen de ASTER-beelden zich goed voor vergelijkingen van de situatie rond vulkanen vóór een uitbarsting en daarna. Zo toont figuur 8 de veranderingen op het eiland Matua na de in figuur 1 in beeld gebrachte spectaculaire eruptie van juni 2009.

Het satellietbeeld links is van 30 mei 2007, dus van ver voor de uitbarsting. Het rood van de opkomende vegetatie wordt er afgewisseld door het wit van sneeuw. Het rechterbeeld is van 30 juni, kort na de uitbarsting. De sneeuw is door het verder gevorderde seizoen, maar mogelijk ook door de warmte van de vulkaan, geheel verdwenen. Datzelfde geldt voor de vegetatie van de noordwestelijke helft van het eiland. Alle ‘groen’, rood op het satellietbeeld, heeft plaats moeten maken voor het grijs en bruin van door de vulkaan uitgestoten gesteenten en as. Tegelijkertijd is de zuidoostelijke helft rijkelijk begroeid, wat valt af te leiden uit de helderrode tint.

guur 2, rechts), maar er zijn talrijke andere gezichtshoeken mogelijk.

Dat dit dan leidt tot spectaculaire resultaten, tonen de bij dit artikel geplaatste ISS-beelden. Zo laat de openingsfoto van de vulkaan Sarychev Peak verschillende verschijnselen zien die aan het begin van een explosieve uitbarsting kunnen optreden (figuur 1). Bovenaan de kolom met vulkanische as ontwikkelt zich een ´scherm´, een kenmerk van de eerder beschreven vulkanische mesocycloon. De witte wolk bij het scherm is ontstaan doordat de lucht boven de kolom met vulkanische as werd gedwongen tot snel opstijgen, daarbij afkoelde en vervolgens oververzadigd raakte. Het gat in de wolkenvelden rond het eiland Matua hangt vermoedelijk eveneens samen met de uitbarsting.

Verder is er een dichte, lichtgrijze wolk die dichter bij de grond lijkt te blijven. Waarschijnlijk gaat het om een pyroclastische stroom, een lawine van hete gesteenten, as en gas die tijdens explosieve vulkaanuitbarstingen met grote snelheid naar beneden komt.

Ook de ruimtefoto´s van figuur 9 tonen vulkaanuitbarstingen op een manier die satellieten niet kunnen evenaren. De Etna (links) wordt door de Italianen voortdurend nauwgezet in de gaten gehouden, dus ruimtebeelden zullen in dit geval zelden een primeur opleveren. Bij de foto van de uitbarsting van de Cleveland op Chuginadak Island in de Aleoeten bij Alaska was dat wel het geval (rechts). De astronauten in het ISS waren de eersten die zagen dat er in deze afgelegen streek iets aan de hand was. Daardoor kon het vliegverkeer, dat veel last kan hebben van vulkanische as, tijdig gewaarschuwd worden. Voor een volledig dekkend systeem van tijdige waarschuwingen voor vulkanische as zijn de huidige ruimtewaarnemingen echter niet voldoende.

Literatuur: Chakraborty, P., Gioia, G. & Kieffer, S.W., Volcanic mesocyclones, Nature 458, pp 497500, 26 maart 2009.

Foto’s vanuit het ISS De incidentele foto’s van vulkaanuitbarstingen vanuit het ISS vormen een waardevolle aanvulling op de routinematige satellietbeelden. Natuurlijk kan de uitstoot van een vulkaan ook vanuit het ISS van bovenaf worden gefotografeerd (zie fiZENIT OKTOBER 2009

459