Pluimen, wolken en mesocyclonen
|
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 gaan van bliksemontladingen en hozen.
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 internationaal ruimtestation 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 rechts werd gemaakt met een digitale camera vanuit het internationale ruimtestation ISS Bron: NASA/ ISS020E009048. (grotere animatie)
Verspreid
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 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 spectaculaire 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).
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. Midden: 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. Rechts: Chaitén, 4 mei 2008.
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 vulkaan. 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).
3a. 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. |
| 3c. Aswolk na een uitbarsting van de vulkaan Anathan in de Stille Oceaan, een van de eilanden van de Marianen. Datum: 6 april 2005, 00.35 UTC, ongeveer zes uur na het begin van de uitbarsting. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team. |
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 vulkanische 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?
| Rechts: Satellietbeeld van de uitbarsting van de Pinatubo op 15 juni 1991. Van bovenaf zien we weer het scherm van de paraplu met in dit geval vijf lobben. De ligging van de Pinatubo is aangegeven met een geel kruis; de lobben zijn gemarkeerd met gele pijlen. De rode lijnen geven de contouren van de eilanden van de Filipijnen, waaronder Luzon. Satelliet: GMS. Bron: Japanse Meteorologische Dienst. |
Mesocycloon
Onderzoekers
van de University of Illinois gaan ervan uit dat dit inderdaad het geval is. In
een brief eerder dit jaar aan het gezaghebbende Engelse natuurwetenschappelijk
tijdschrift Nature komen ze met een nieuwe theorie om de bovenbeschreven verschijnselen
te verklaren en hun onderling 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.
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 aangetoonde 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.
| 7. Rechts: Uitbarsting van de 4750 meter hoge vulkaan Klyuchevskaya Sopka op het besneeuwde schiereiland Kamtsjatka, Oost/Rusland. De sneeuw heeft op dit beeld in valse kleuren een rode kleur; de pluim van de vulkaan is wit. Datum: 14 januari 2004. Instrument MODIS, banden 1, 4 en 3. |
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, met
name 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.
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 mouse-onbeeld is van 26 mei 2007; het andere beeld 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. | 9. ISS-beelden van vulkaanuitbarstingen met langgerekte aspluimen. Links: 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. Midden: 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 internationaal ruimtestation 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. |
Foto's
vanuit het ISS.
De incidentele foto's van vulkaanuitbarstingen vanuit het
internationale ruimtestation (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 figuur 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:
1. Tillard, S. A narrative of the eruption of
a volcano in the sea off the island of St. Michael. Phil. Trans. R. Soc. Lond.
B 102, pp 152-158 (1812).
2. Chakraborty, P., Gioia, G. & Kieffer, S.W.,
Volcanic mesocyclones, Nature 458, pp 497-500, 26 maart 2009.
3. Floor, K.,
As van vulkanen bedreigt vliegveiligheid,
Zenit juli/augustus 2004