Vulkaanuitbarstingen met
bliksemflitsen, stof- en waterhozen.
Kees Floor, Het Weer Magazine, juni 2009.

Amerikaanse onderzoekers gebruikten een bijna twee eeuwen oude beschrijving van de verschijnselen tijdens een uitbarsting van een onderzeese vulkaan bij de Azoren voor het onderbouwen van een nieuwe theorie. Daarnaast speelden satellietbeelden van vulkaanuitbarstingen en een foto van de talrijke bliksemontladingen rond een kolom met vulkanische uitstoot een rol bij hun onderzoek naar het gedrag van vulkaanpluimen, dat ze toeschrijven aan het optreden van een vulkanische mesocycloon.

Op 14 juni 1811 was kapitein Tillard van het Britse oorlogsschip Sabrina getuige van de geboorte van een nieuw eiland op ongeveer drie kilometer uit de kust van S„o Miguel in de Azoren (figuur 1). In minder dan drie uur vormde zich een complete krater met een diameter van 150 meter, die ongeveer zeven meter boven het zeeoppervlak uitstak. Op 4 juli van dat jaar voer de Sabrina nogmaals langs dezelfde plek. Het vulkanische eiland, dat werd vernoemd naar het schip, was toen aangegroeid tot een hoogte van meer dan 70 meter.

1. Uitbarsting van een onderzeese vulkaan en vorming van een nieuw vulkanisch eiland op 3 kilometer afstand van S„o Miguel, Azoren, juni 1811. Rechts op de voorgrond het Britse oorlogsschip Sabrina, waarnaar het nieuwe eiland werd genoemd. In het rechterbeeld zijn ook bliksemontladingen zichtbaar.

Bliksemflitsen en waterhozen
De geboorte van het eiland was twee dagen voor het boven de zeespiegel uit begon te steken al aangekondigd door een onderzeese vulkaanuitbarsting, die door Tillard werd waargenomen en later gedetailleerd beschreven (1). Hij zag een immense kolom rook uit zee opstijgen, in de vorm van een cirkelvormige wolk die ronddraaide als een horizontaal wiel. Tegelijkertijd nam hij bij het meest compacte deel van de kolom talrijke bliksemontladingen waar en traden er enkele waterhozen op.
Sabrina is niet het enige voorbeeld van het ontstaan van een nieuw vulkanisch eiland. Zo vormde zich door vulkaanuitbarstingen van 17 november 1963 tot 5 juni 1967 bij IJsland het eiland Surtsey. Ook daarbij traden geregeld bliksemontladingen op (figuur 2), evenals bij onder andere de recentere uitbarsting van de Chaiten in Zuid-Chili (mei 2008, figuur 3). Verder werden er bij vulkaanuitbarstingen geregeld waterhozen, of boven land landhozen, gesignaleerd (figuur 6). Toch is Tillards waarneming en het geschreven verslag ervan volgens Amerikaanse onderzoekers uniek. In een brief aan het Engelse natuurwetenschappelijke tijdschrift Nature (2) schrijven ze dat ronddraaiende vulkaanpluimen, bliksemflitsen langs dergelijke pluimen en hozen in de omgeving weliswaar wel vaker worden gerapporteerd, maar nooit alle drie tegelijk. Ze zien er de bevestiging in van een nieuwe theorie, die alle waargenomen verschijnselen verklaart en met elkaar in verband brengt.

4. Vier dagen na het begin van de uitbarstingen, nam de activiteit van de vulkaan Chaiten nog verder toe. De aspluim kwam op 6 mei 2008 30 kilometer hoog en de asdeken groeide op sommige plaatsen aan tot een dikte van 1,5 meter. Het satellietbeeld van 6 mei toont onder andere de 'paraplu met lobben' die karakteristiek is voor intensieve vulkaanuitbarstingen met onweer en stof- of waterhozen. De diameter van het scherm van de paraplu is ongeveer 115 kilometer. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC Modis Land Rapid Response Team. (Wisselbeeld natuurlijke en valse kleuren)

5. Satellietbeeld van de uitbarsting van de vulkaan Ruang, IndonesiŽ. 25 september 2002. Ook deze 5 kilometer hoge aspluim heeft de vorm van een 'paraplu met lobben', die hier van bovenaf in beeld is gebracht. De diameter van de pluim is ongeveer 60 kilometer. De vulkanische as drijft naar het westen weg, in de richting van Borneo en Sumatra. De uitbarsting werd voorafgegaan door aardbevingen. Er vielen geen slachtoffers, maar de 1000 bewoners van Ruang moesten wel uitwijken naar een nabijgelegen eiland. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC Modis Land Rapid Response Team.

8. 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.

Parapluscherm met lobben
Vulkanische pluimen bestaan uit hete gassen en vulkanische as. Bij een heftige vulkaanuitbarsting vormt zich een vertikale kolom, die omhoog gaat tot het niveau waarop de opwaartse kracht te klein is geworden om verdere opstijging mogelijk te maken. Vanaf dat moment spreiden de uitgestoten stoffen zich verder uit in alle horizontale richtingen. Daarbij krijgt de vulkaanpluim de vorm van een paraplu. De satellietbeelden van de figuren 4 en 5 geven een bovenaanzicht van zo'n paraplu. Ze zijn afkomstig van de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS ) op de Amerikaanse satelliet Terra en tonen de vulkaanuitbarstingen van de Chaiten in Zuid Chili van mei 2008 en de Ruang in IndonesiŽ van september 2002. Figuur 7 laat de paddestoel- of parapluvorm zien van de Redoubt in Alaska tijdens een uitbarsting die 14 december 1989 begon en zes maanden aanhield. Het is dezelfde uitbarsting waarbij op dag 2 een KLM-toestel in de aswolk terecht kwam, waardoor alle vier motoren uitvielen (3).

Draaiing
Tot voor kort nam men aan dat de vulkaanpluimen symmetrisch waren rond hun vertikale as. Ondanks Tillards waarneming van bijna twee eeuwen terug, was namelijk niet algemeen bekend dat de kolommen ronddraaien. De Nature-auteurs gingen daarom eerst op zoek naar aanvullend bewijs van het roteren van vulkaanpluimen. De MODIS-beelden zijn daarvoor helaas niet geschikt. Er zijn slechts drie of vier beelden per dag beschikbaar en dat is niet voldoende om nauwkeurig te kunnen vaststellen of er van draaiende bewegingen sprake is. Van de uitbarsting van de Pinatubo op de Filipijnen in 1991 was uurlijks beeldmateriaal beschikbaar van de Japanse geostationaire weersatelliet GMS. Daarmee kon inderdaad aangetoond worden dat het scherm van de paraplu rond zijn eigen middelpunt draaide. Verder was in dit geval, net als bij de uitbarstingen van de figuren 4 en 5, te zien dat het scherm niet mooi cirkelvormig is, maar uitstulpingen vertoont. In figuur 8 zijn die lobben gemarkeerd met gele pijlen. Zowel de draaiing als de vorm met lobben gebruiken de auteurs van het Nature-artikel om hun nieuwe theorie van vulkaanpluimen ten onderbouwen. De draaiing krijgt het uitwaaierende scherm mee van de roterende kolom met uitgestoten vulkanische gassen en as. De draaiing maakt het scherm onstabiel, waardoor het zijn cirkelvorm verliest en lobben ontwikkelt.

Mesocycloon
Bij de verklaring van wat er tijdens vulkaanuitbarstingen in de dampkring gebeurt, staat het begrip mesocycloon centraal. Een mesocycloon is een wervel van 2 tot 10 kilometer doorsnede die gekoppeld is aan een zware onweersbui, ook wel aangeduid als supercel. De lucht in een mesocycloon stijgt op en draait tegelijkertijd om een rechtopstaande as; de draairichting is gelijk aan die rond een 'gewoon' lagedrukgebied. Een supercel, die in Nederland naar schatting slechts eenmaal per jaar voorkomt, gaat vergezeld van heftige weersverschijnselen: zeer zware windstoten, grote hagelstenen, hoge bliksemintensiteit en in sommige gevallen windhozen.
De auteurs van het Nature-artikel zien een grote overeenkomst tussen de verschijnselen die optreden rond de mesocycloon van een supercel en de waarnemingen tijdens heftige vulkaanuitbarstingen. Daarom gaan ze ervan uit dat de kolom van een uitbarstende vulkaan op eenzelfde manier beschreven kan worden en dat dezelfde mechanismen een rol spelen, ook al zijn de stijgsnelheden van 200 tot 600 meter per seconde in een vulkanische mesocycloon veel groter dan de 10 meter per seconde van zijn meteorologische evenknie.

Bliksemgat
Naast de ronddraaiende bewegingen, de bliksemontladingen en de hozen, is er nog een opmerkelijke overeenkomst. 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.
Bij het zien van de foto van de bliksemontladingen tijdens de vulkaanuitbarsting van de Chaiten in Zuid-Chili in mei 2008 (figuur 3) moesten de Nature-auteurs direct denken aan de bliksemgattheorie. Duidelijk is te zien dat veel bliksemontladingen optreden langs de randen van de kolom met opstijgende vulkanische gassen.
De onderzoekers bepleiten daarom de meteorologische methodieken die gebruikt worden bij het onderzoek naar supercellen, ook toe te passen op pluimen van vulkanen. Met behulp van satellietbeelden met korte tijdsintervallen, Dopplerradar en bliksemdetectiesystemen kan de theorie van vulkanische mesocylonen verder gestaafd en gedetailleerd worden. Omdat dergelijke apparatuur doorgaans niet in de omgeving van vulkanen staat opgesteld, moeten draagbare meetopstellingen uitkomst bieden. Het zou mooi zijn als een vulkaan naderende activiteit duidelijk aankondigt, zodat onderzoekers de gelegenheid krijgen hun meetinstrumenten tijdig op te stellen. Dan kunnen ze namelijk een uitbarsting vanaf het allereerste moment te volgen en in kaart te brengen. Zo'n buitenkansje maak je als onderzoeker hooguit eens in je leven mee.

Redoubt
De eerste maal dat bliksemontladingen met mobiele bliksemdetectieapparatuur vanaf het begin van een eruptie konden worden gevolgd, was in maart van dit jaar. De uitbarstingen van de vulkaan Redoubt in Alaska, die 22 maart 2009 begonnen, hadden zich in de twee voorgaande maanden al door gerommel aangekondigd. Toen de vulkaan actief werd, was door collega-onderzoekers alles al in gereedheid gebracht. Ze namen een onweersactiviteit waar (figuur 9) die minstens even groot was al bij de zware onweersbuien van het middenwesten van de Verenigde Staten. Op dit moment worden de bliksemregistraties verder uitgewerkt. Zo hopen de wetenschappers de geheimen van vulkanische mesocyclonen en bijbehorende bliksemontladingen steeds verder te kunnen ontrafelen.

Tot slot
Enige tijd nadat de Sabrina in 1811 de thuisreis had aanvaard, verdween het gelijknamige Azoreneiland net zo plotseling in zee als het eruit was opgestegen. Dankzij kapitein Tillard bleef er niet alleen een ondiepte over van 150 meter, maar ook een gedetailleerd verslag dat 200 jaar later wetenschappers op weg zou helpen bij hun baanbrekend onderzoek naar vulkanische mesocyclonen.

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