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Vulkanologie mit Drohne

Blick auf den gefährlichen Lavadom des Vulkans Santa Maria in Guatemala. (Bild: Zorn et al. 2020, Nature - Scientific Reports: DOI 10.1038/s41586-020-2212-1)

Braut sich da etwas zusammen? Bei explosiven Vulkanen können Wissenschaftler keine Nahbeobachtungen wagen – doch mit Drohnen ist das möglich, wie nun eine Feldstudie verdeutlicht: Forscher haben den Lavadom des Vulkans Santa Maria in Guatemala mit speziell ausgerüsteten Fluggeräten ins Visier genommen. Durch innovative Berechnungsverfahren haben sie aus den Daten hochaufgelöste 3D-Modelle des Doms erstellt und konnten dadurch feinste Veränderungen der Strukturen aufzeigen. Ihr Verfahren könnte nun die Möglichkeiten zur Gefahrenvorhersage bei schwer berechenbaren Vulkanen verbessern, sagen die Wissenschaftler.

Sie sind wie tickende Zeitbomben: Vulkane mit Lavadomen können besonders explosiv ausbrechen und dabei ganze Landstriche verwüsten. Die bedrohlichen Strukturen bilden sich, wenn die austretende Lava zu zähflüssig ist, um weit zu fließen, und sich daher zu einer hügelförmigen Kuppel auftürmt. Derartige Strukturen sind von über 120 Vulkanen weltweit bekannt. Um das Gefahrenpotenzial einzuschätzen, müssen Vulkanologen die Kuppeln genau im Auge behalten. Es gilt dabei Veränderungen zu erfassen, die einen bevorstehenden Ausbruch anzeigen könnten. Dabei kommen Verfahren der Fernerkundung zum Einsatz – etwa durch Satellitenaufnahmen. Doch zur Erfassung von subtilen Veränderungen sind nähere Betrachtungen nötig. Sich dem Kuppelbereich zu nähern, ist für Vulkanologen allerdings gefährlich, denn dort kann es sehr plötzlich zu Explosionen, Gasaustritten oder Einbrüchen kommen.

Eine sichere Entfernung ist gefragt

Um aus sicherer Entfernung die vulkanische Aktivität zu untersuchen, werden deshalb inzwischen auch Drohnen eingesetzt. Der Optimierung dieser Strategie widmen sich momentan die Forscher um Edgar Zorn vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam. Im Visier ihrer Drohnen stand der Lavadom des Vulkans Santa Maria in Guatemala. Der Vulkan hat 1902 für einen der heftigsten Ausbrüche des vergangenen Jahrhunderts gesorgt. Dabei entstanden in Guatemala weiträumige Verwüstungen. Ab 1922 wuchs dann im Kraterbereich kontinuierlich eine Lavakuppel heran, die als Caliente bezeichnet wird. Zurzeit kommt es dort nahezu kontinuierlich zu kleineren Explosionen und Lava-Ausbrüchen.

Für die Untersuchungen des Caliente-Vulkankegels haben die Wissenschaftler einen leistungsstarken Quadrokopter mit optischen und Wärmebildkameras ausgerüstet. Diese Drohne haben sie dann in verschiedenen Zeitabständen in etwa 100 Meter Höhe über den Krater fliegen lassen. „Dabei haben wir die Lavaströme und die Veränderungen des Lavadoms mittels einer Art Stereophotographie in bisher noch nie erreichter Genauigkeit vermessen“, sagt Zorn. Die zwei unterschiedlichen Kameras der Drohne konnten einerseits hochauflösende Fotos und andererseits Wärmebildaufnahmen anfertigen. Mithilfe eines speziellen Computeralgorithmus haben die W

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Wärmebild vom Überflug über den Lavadom. (Bild: Zorn et al. 2020, Nature – Scientific Reports: DOI 10.1038/s41586-020-2212-1)

issenschaftler aus diesen Aufnahmen dann detaillierte 3D-Modelle des Caliente-Vulkankegels angefertigt. So erhielten sie ein 3D-Topographie- und Temperatur-Modell mit einer Auflösung von nur wenigen Zentimetern.

Kleinste Veränderungen werden sichtbar

„Die 3D-Modelle der verschiedenen Flüge mussten exakt positioniert werden, damit sie vergleichbar sind. Das erforderte mühsame Kleinarbeit, jedoch lohnt sich der Aufwand, da dann selbst minimale Bewegungen sofort sichtbar werden“, so Zorn. Wie die Forscher berichten, konnten sie durch die Vergleiche der Datensätze die Fließeigenschaften der Lava ableiten sowie die Bewegungsmuster und die Oberflächentemperatur im Bereich des Doms präzise erfassen. So zeichneten sich die langsame Ausdehnung und das Wachstum des Caliente-Vulkankegels ab sowie die Merkmale der zähflüssigen Lava, die für seine Bildung verantwortlich ist.

Die große Bedeutung ihrer Studie sehen die Wissenschaftler allerdings darin, dass sie die Möglichkeiten des Verfahrens demonstriert. „Wir haben einige neue Möglichkeiten für die Darstellung und Messung bestimmter Bodenbewegungen vorgestellt, die in zukünftigen Projekten sehr nützlich sein könnten“, sagt Zorn. „Grundsätzlich haben wir auch gezeigt, dass der Einsatz von Drohnen helfen kann, sogar die gefährlichsten und aktivsten Vulkane der Erde aus sicherer Entfernung gänzlich neu zu vermessen“. Sein Kollege Thomas Walter vom GFZ sagt dazu abschließend: „Es könnte sich nun eine regelmäßige und systematische Vermessung gefährlicher Vulkane mit Drohnen entwickeln“, so der Vulkanologe.

Quelle: Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Fachartikel: Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-020-65386-2

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