Wat vulkanen vertellen

Ben Herremans

Tot op vandaag confronteren vulkanen ons met vragen waarop we het antwoord niet kennen. De Schotse vulkanoloog Andrew McGonigle onderzoekt de gassen die vulkanen uitademen en probeert zo hun uitbarstingen te voorspellen. Zijn Franse collega Yves Moussallam buigt zich over een andere, bijna letterlijk brandende kwestie: hoe beïnvloeden vulkanen het klimaat? Beide ontvingen een Rolex for Enterprise Award.

Achthonderd miljoen mensen leven in de schaduw van een gloeiende dood omdat ze in het bereik wonen van een uitbarsting van een van de 550 potentieel actieve vulkanen op aarde. In de 20e eeuw alleen al kwamen 100.000 mensen om bij vulkaanuitbarstingen. Al meer dan een eeuw zoeken wetenschappers naar manieren om vulkaanuitbarstingen te voorspellen, een missie die hen vaak gevaarlijk dicht bij vulkanen (en bij hun eigen dood) bracht.

Met de hulp van drones

In 2008 ontving de Schotse vulkanoloog Andrew McGonigle, met de universiteit van Sheffield als academische thuisbasis, een Rolex Award for Enterprise. Om vulkanen te voorspellen, schakelt hij moderne technologie in. ‘De Award for Enterprise van Rolex hielp me enorm om de technologie waar ik aan werkte fijn te stellen’, vertelt hij. ‘We gebruiken die nu al bij een aantal vulkanen.’

Dankzij de steun van Rolex kon McGonigle drones bouwen. Vanop afstand stuurt hij de kleine, onbemande luchtvaarttuigen tot boven vulkanen. Daar verzamelen ze samples van de gasluchten die er hangen. Chemisch onderzoek van die emissies helpt McGonigle om naderende vulkaanuitbarstingen te detecteren.

Wat zijn vulkanen?

Een vulkaan is een opening in het oppervlak van een planeet langs waar gesmolten gesteente in de vorm van as, lava en brokstukken naar buiten komt. Dat uitgestoten materiaal vormt doorgaans een berg rond de opening, vandaar dat vulkanen vroeger ‘vuurspuwende bergen’ werden genoemd. De meeste vulkanen ontstaan aan de rand van tektonische platen of aardplaten. Dat zijn stukken van het oppervlak van de Aarde die als één geheel bewegen. Er zijn op Aarde zeven grote tektonische platen (de Afrikaanse, Antarctische, Australische, Euraziatsche, Noord-Amerikaanse, Pacifische en Zuid-Amerikaanse) en verschillende kleinere. Ze verschuiven in een klein tempo, hooguit enkele centimeter per jaar.

Diep in de aarde zijn de temperaturen uiterst hoog (rond 6000 graden Celsius). Waar de tektonische platen tegen elkaar botsten of uit elkaar bewegen, hopen gesmolten gesteente (magma) en gassen zich op in de ruimte die vrijkomt. Als de druk te groot wordt, banen die magma en gassen zich met geweld een weg naar buiten en barst de vulkaan uit. Wereldwijd zijn er gemiddeld vijftig à zestig vulkaanuitbarstingen per jaar. De meeste leveren zo weinig schade op dat ze vrijwel onopgemerkt blijven. Maar als de uitbarsting hevig is en plaats vindt in een dichtbevolkt gebied, is het telkens wereldnieuws.

Ademtest en polsslag

Behalve van vliegende sensoren maakt Andrew McGonigle gebruik van een uiterst gevoelige, op de camerafunctie van smartphones gebaseerde technologie die het stijgen van vulkaangassen capteert in een ultraviolet spectrum. McGonigle observeert de flow van emissies en hoopt daarin de voorbode van een vulkaanuitbarsting te kunnen opsporen: de explosieve, met gas gevulde lava die omhoog komt langs de ‘keel’ (kraterpijp) van de vulkaan. Een uitbarstingskolom bestaat uit hete vulkanische as die wordt uitgestoten. Vooral zwaveldioxide is een boodschapper van naderend onheil. Vulkanen hebben een bijzonder hoog zwavelgehalte. In contact met een zeer hoge luchttemperatuur vliegt die zwavel in brand. ‘We kunnen nu de polsslag van een vulkaan meten’, zegt McGonigle. ‘We zien hem ademen, we zien de gasbellen die door de magmakolom ontsnappen in de lucht. Die golven van gas onderzoeken we. Vooral hoe ze evolueren en variëren. Dat werd nog nooit gedaan.’

De ene vulkaan is de andere niet

De patronen van vulkanische gasemissies correct interpreteren, daar ligt de uitdaging voor Andrew McGonigle. De betrouwbaarheid van zijn voorspellingen is recht evenredig met de exactheid van zijn analyses. Allesbehalve evident. ‘Het probleem is dat geen twee vulkanen gelijk zijn’, legt hij uit. ‘Hun chemie, de manier waarop ze uitbarsten: de verschillen zijn groot: van het constante, regelmatige borrelen zoals de Stromboli in Sicilië doet tot zeldzame, enorme explosies zoals de Pliniaanse (naar Plinius de Jongere die er in zijn brieven over schreef) uitbarsting van de Vesuvius in het jaar 79 na Christus, die Pompeï en Herculaneum onder de lava bedolf.’

Besluit? ‘Er zit niet anders op dan heel veel kennis te verzamelen over elk van de vijf hoofdcategorieën van vulkanen.’

De vijf vormen van vulkanen

Dit zijn de vijf vormen van vulkanen:

· Schildvulkanen hebben een brede basis en langzaam oplopende, flauwe hellingen, omdat de lava bij uitbarstingen ver uitstroomt. De grootste vulkanen op aarde zijn van dit type. Met een diameter van 120 kilometer is de Mauna Loa op Hawaï het bekendste voorbeeld.

· Sintelkegels of slakkenkegels zien eruit als een kegel met een krater in het midden. Het uitgeworpen materiaal (gruis, puin en veelal kleine rotsblokken) hoopt zich op rond de opening van de vulkaan.

· Stratovulkanen of koepelvulkanen zijn het tegenovergestelde van schildvulkanen. Hun lava stroomt niet ver uit omdat hij zuurder van samenstelling en taaier is dan de lava van schildvulkanen. Deze vulkanen hebben steile wanden. De Fuji in Japan is een beroemde stratovulkaan.

· Calderavulkanen ontstaan in de gevulde kegel van een oudere vulkaan. Het magma gebruikt dikwijls nog de oude kraterpijp tot een bepaalde diepte waar zich dan via kleinere kanalen meerdere nieuwe kleine vulkanen vormen.

· Spleetvulkanen hebben weinig reliëf en komen vaak voor als kloven of gaten in het landschap.

Andrew McGonigle wil wereldwijd, in verschillende geologische settings, voldoende vulkanen onderzoeken. Zodat hij de gevaren herkent voor elk type van vulkaan. Anders gezegd, hij moet de verschillende families vulkanen leren kennen aan hun adem.

Een gordel van schildwachten

Het eerste veldwerk met zijn technologie deed Andrew McGonigle bij de Zuid-Italiaanse vulkanen Stromboli en Etna. Nadien testte hij de apparatuur in het Chileense Andesgebergte, Nicaragua, Papoe-Nieuw-Guinea en de Pacific Ring of Fire (zie verder). In het noorden van Chili werkte hij samen met de geoloog Felipe Aguilera aan de automatisering van zijn technologie op basis van de sensoren in een smartphone. Het is hun ambitie om een gordel van schildwachten voor vulkanische activiteiten op te trekken. McGonigle hoopt dat hij zijn camera’s op een dag op alle vulkanen van de wereld kan installeren, zodat hij de vuurspuwende bergen de klok rond kan monitoren en een alarmsysteem kan activeren dat tot in verafgelegen locaties levens kan redden.

Weken, zelfs maanden vooraf gewaarschuwd

De technologie die Andrew McGonigle met de steun van Rolex ontwikkelde, is betaalbaar en robuust. Als zijn methode slaagt en kan gebruikt worden in combinatie met ander opmetingen die specifiek voor elke vulkaan efficiënt blijken, zou het risico op doden door plotse vulkaanuitbarstingen drastisch gereduceerd worden. De mensen die in de omgeving van vulkanen leven, zouden weken, eventueel zelfs maanden vooraf voor een uitbarsting worden gewaarschuwd. ‘Alles wat in de omgeving van een vulkaan verkeerd kan gaan, zal bij een uitbarsting verkeerd gaan en er zijn geen shops in de buurt waar je even naartoe kan om ontbrekende elektronica-onderdelen te kopen’, waarschuwt McGonigle.

Van de vulkaan naar de maan

Intussen werd Andrew McGonigle benaderd door de NASA. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie toont veel belangstelling voor zijn sensoren. Ze is vooral gecharmeerd door het ultralichte gewicht en de gevoeligheid voor ultraviolette stralen. Sinds 2018 werkt McGonigle samen met wetenschappers en ingenieurs van het NASA Jet Propulsion Laboritory aan de ontwikkeling van een megacompact instrument dat aan boord van een maanwagen kan opereren. Het toestel zou op de maan peilen naar water en onderzoek naar de evolutie van het zonnestelstel verrichten. Het instrument met de sensoren van McGonigle wordt momenteel gemodificeerd naar een ruimtevluchtvriendelijk format.

Wetenschappelijk én humanitair

Voor Andrew McGonigle is het voorspelen van vulkaanuitbarstingen zowel een humanitaire als een wetenschappelijke missie. Met die combinatie illustreert hij perfect het Perpetual Planet Initiative van Rolex. De Schot koppelt het beter begrijpen van vulkanen, een van de wonderbaarlijkste motoren van de planeet, aan een nieuwe technologie met het potentieel om mensenlevens te redden en het bezweren van een natuurlijke bedreiging die ouder is dan de mensheid zelf.

De invloed van vulkanen op het klimaat

Dapper dringt de Franse vulkanoloog Yves Moussallam met zijn team door tot een van verst afgelegen en gevaarlijkste regio’s op aarde, de Pacific Ring of Fire. Daar probeert hij een antwoord te vinden op een urgente vraag die de toekomst van de mensheid mee zou kunnen bepalen. Hoe beïnvloeden de vulkanen het klimaat in het algemeen en de klimaatopwarming in het bijzonder?

De ring van vuur

De Ring of Fire (Ring van Vuur) is een hoefijzervormig gebied rondom de Stille Oceaan. Er doen zich veel aardbevingen en vulkaanuitbarstingen voor als gevolg van de endogene krachten (krachten van binnenuit de aarde) die de tektonische platen er uitoefenen. Het gebied loopt ruwweg van Nieuw-Zeeland via enkele eilandengroepen naar Indonesië, de Filipijnen, Japan, Alaska en de Westkust van Canada, de Verenigde Staten, Mexico, Midden- en Zuiden-Mexico.

De Ring of Fire bevat een trog (diepe inzinking in de zeebodem) of vulkanische boog van Sumatra tot Flores in Indonesië. Op deze plaats schuift de Australische plaat met een snelheid van ongeveer 6 centimeter per jaar onder de Eurazische plaat. Van alle 452 vulkanen (driekwart van het wereldtotaal) in deze zone zijn er zo’n 128 actief en gelden er 65 als gevaarlijk.

Een voorkeur voor verre plekken

In deze Ring of Fire voert Yves Moussallam een aantal expedities uit om actieve vulkanen en onderzeese bergen te bestuderen. Onder meer verkende de Fransman en zijn team het gebied met een van de grootste vulkanische dynamieken ter wereld: Melanesië. Dat is een van de drie (samen met Polynesië en Micronesië) grote eilandengroepen in de Stille Oceaan. Samen met Australië en Nieuw-Zeeland vormen ze het continent Oceanië. Melanesië ligt ten noordoosten van Australië. Eerder leidde Moussallam een expeditie van vijf maanden om de gasemissies te meten van twintig vulkanen op grote hoogte langs de Zuid-Amerikaanse kant van de Ring of Fire.

De Ring of Fire werd nog weinig of niet bestudeerd. Stalen van vulkanische gassen komen tot dusver vooral van toegankelijke vulkanen in ontwikkelde landen. Nochtans geven satellietdata aan dat een derde van ’s werelds vulkanische gassen afkomstig is van de vulkanen van Melanesië. ‘Wij willen naar plekken gaan waar er nog geen metingen werden gedaan’, zegt Moussallam. ‘Naar vulkanen die erg ver liggen maar die we dankzij satellieten kennen als uitermate grote uitstoters van gas- en aerosolemissies.

Varen op energie van wind en kokosnoten

Yves Moussallam en zijn team reisden met een Polynesische vaka, een traditionele Polynesische zeilboot. Hij werd aangedreven door de wind en door biobenzine (op basis van kokosnoten). Vanop de boot stuurden de expeditieleden drones uit met de modernste wetenschappelijke sensoren aan boord. Op die manier leidde Moussallam het eerste duurzame, mobiele vulkanische laboratorium van de wereld. Daarmee onderzocht hij de vulkanen langs de westelijke Ring of Fire. Moussallam wilde vooral de emissies van de actieve vulkanen van Vanuatu analyseren. De Republiek Vanuatu is een eilandengroep in Oceanië die sinds 1980 een onafhankelijk land is. Voordien stond het bekend als de Nieuwe Hebriden, een Frans-Brits condominium.

Vulkanen koelen het klimaat af

Yves Moussallam wil zijn licht laten schijnen op een grote wetenschappelijke onbekende: hoe beïnvloeden de gassen en aerosols die vulkanen uitstoten, het klimaat? Vulkanische emissies verminderen de graad van globale opwarming van de aarde. Omdat ze zonnestralen reflecteren en bijdragen tot wolkenvorming, dragen ze bij tot de afkoeling van het klimaat. Alleen volgt dit proces een variabele timing en werd het nog niet gekwantificeerd. ‘Eeuwen geleden en eeuwenlang hebben vulkanen onze planeet en haar atmosfeer vormgegeven’, onderstreept Moussallam. ‘In realtime data over deze plekken verzamelen is belangrijk om hun rol in de klimaatverandering te begrijpen.’

Nog iedere dag wetenschappelijke exploratie

Terwijl hij de Stille Oceaan doorkruist, graaft Yves Moussallam in de kennis van zijn lokale bemanningsleden en contacten met de autochtone eilandbewoners helpen hem om de patronen van vulkanische activiteiten nog beter te begrijpen. In ruil hoopt hij de lokale bevolking data te kunnen aanleveren waarmee ook zij beter begrijpen wat vulkanen vertellen en hun uitbarstingen beter kunnen voorspellen.

In een breder perspectief wil het expeditieteam haar avonturen en ontdekkingen delen met de wereld en mensen het besef bijbrengen dat de wetenschappelijke exploratie van de wereld nog elke dag bezig is.

De bedreigingen afwenden

In 2019 ontving Yves Moussallam de Rolex for Enterprise Award. Met dit initiatief ondersteunt Rolex al meer dan vier decennia uitzonderlijke individuen die met moed en overtuiging belangrijke uitdagingen beantwoorden en proberen van de wereld een betere plaats maken.

Met de steun van Rolex plant Yves Moussallam nog expedities langs de Ring of Fire. Hij zegt dat hij wordt gedreven door de urgentie om de grote problemen van deze tijd op te lossen. ‘De mensheid werd in haar geschiedenis al vaak geconfronteerd met grote uitdagingen en telkens slaagde ze erin om die het hoofd te bieden. We zullen ook deze nieuwe bedreigingen kunnen afwenden. We zullen wel moeten, we hebben niet echt een keuze.’