Vulkanisme hangt samen met weer en klimaat

Op 4 december 2021 kwam de Semeru op Java tot een verwoestende uitbarsting. Er kwamen lahars en pyroclastische stromen van de vulkaan af die duizenden woningen verwoestten. Minstens 57 mensen vonden de dood. Waarom schoot het hazard management deze keer zo tekort? Het antwoord ligt in de aanleiding voor de uitbarsting: zeer zware regenval. De hydrologische kringloop speelt een grotere rol in het triggeren van vulkaanuitbarstingen dan je misschien zou denken.

Semeru staat bekend als een actieve vulkaan, maar toch was er voor deze uitbarsting géén adequate waarschuwing verspreid. Bij eerdere erupties van andere vulkanen in 2021 ging dat aanmerkelijk beter. De uitbarsting van de Soufrière op het Caribische eiland Saint Vincent van 9 april was explosief en verwoestend, maar werd ook verwacht. Er ging een aanloopperiode van maanden aan vooraf, waarin zich een lavakoepel vormde in de krater (een klont zeer taaie lava) en seismische activiteit werd gemeten van, vermoedelijk, bewegend magma dicht onder het oppervlak. Op 8 april werd dan ook overgegaan tot een grootscheepse evacuatie. Met succes: er vielen geen doden of gewonden. Ook de uitbarsting van de Cumbre Vieja op La Palma, hoewel van een heel andere aard dan die op Saint Vincent, was duidelijk aangekondigd door seismische activiteit vanaf ongeveer een week vóór de feitelijke eruptie. Toen de uitbarsting begon, waren duizenden mensen geëvacueerd. Tijdens de maandenlange eruptie viel één dode, door een dak dat instortte onder het gewicht van vulkanische as.

Wat liep er anders in het geval van de Semeru? Het meest in het oog springende feit is dat er in de aanloop naar de uitbarsting op 4 december geen bijzondere seismische activiteit werd gemeten en ook geen trage vorming van een lavakoepel zoals op de Soufrière. Met andere woorden, er was geen indicatie dat er beweging was van magma in of onder de vulkaan. Wat er wél gebeurde was een samenloop van omstandigheden. Op de top van de vulkaan bevond zich al een eerder gevormde lavakoepel, plus de los-vaste resten van eerdere uitbarstingen (as, lava) én er was sprake van zeer zware, tropische regenval in de dagen direct vóór de uitbarsting. Door die combinatie kon het ineens heel snel gaan: de overvloedige regenval bracht de ‘rommel’ op de top van de vulkaan in beweging, waardoor de lavakoepel instabiel werd en uiteen viel. Een massa water, as en brokstukken lava – de lahar – kwam de helling af. Min of meer tegelijkertijd kwamen pyroclastische stromen (van heet gas en vulkanisch materiaal) naar beneden en er steeg een aswolk op tot ongeveer 12 km hoogte.

Dat er vooraf geen seismische activiteit was, gekoppeld aan het gegeven dat de explosieve uitbarsting direct volgde op zware regenval, maakt het erg aannemelijk dat de regen de aanleiding vormde voor de eruptie. Dit gebeurt wel vaker. Maar hoe werkt het precies?

Druk

Of een vulkaan uitbarst, en hoe, hangt af van een aantal zaken. Temperatuur is natuurlijk van groot belang: gesteente moet zeer heet zijn (minstens 900 graden of hoger) om überhaupt deels vloeibaar te kunnen worden. Maar gesteente is een slechte geleider van warmte, dus de temperatuur verandert niet zo snel. Een belangrijke andere factor is druk. Druk kan instantaan (onmiddellijk) veranderen, want gesteente geeft drukverschil door met de snelheid van het geluid. En gesteente kan heel anders reageren als de druk verandert. Er gelden twee vuistregels bij decompressie (drukverlaging).

Vuistregel één: Als de druk afneemt, komt het smeltpunt lager te liggen. Dit betekent dat een gesteente bij een temperatuur van bijvoorbeeld 1000 graden vast kan zijn, maar als de druk afneemt, bij diezelfde temperatuur (deels) vloeibaar kan zijn. Dit is te vergelijken met water koken in de bergen. Op grotere hoogte, en dus bij lagere luchtdruk, kookt het water bij een lagere temperatuur. In gesteente speelt ook zoiets, alleen heeft gesteente een ingewikkelde samenstelling, waardoor er niet één smeltpunt is. Het gesteente smelt vanaf een bepaalde temperatuur steeds een beetje meer wanneer de druk afneemt. Dat heet partieel smelten (figuur 1).

Het kan dus zijn dat een magma dat grotendeels uit kristallen bestaat, en maar een klein beetje uit ‘smelt’ (vloeibaar gesteente) – het is dus bijna helemaal vast en komt niet makkelijk in beweging. Zodra de druk iets lager wordt (bijvoorbeeld doordat een stuk van de vulkaan erboven wegglijdt bij een aardverschuiving als gevolg van extreme regenval), kan het magma bij dezelfde temperatuur dus iets meer smelten. Op zo’n moment kan de verhouding tussen kristallen (vast) en smelt zo veranderen dat het magma wél in beweging komt. Potentieel dus een uitbarsting (figuur 2A).

Vuistregel twee: Als de druk afneemt, kan gas vrijkomen uit het gesmolten gesteente en bellen gaan vormen in het magma. Elk magma bevat opgeloste vluchtige stoffen – vooral water, kooldioxide en zwavel. Bij hoge druk zijn die echt opgelost, ze zijn deel van het vloeibare gesteente (de ‘smelt’). Maar bij lage temperatuur gaan deze vluchtige stoffen ‘uit’ het vloeibare gesteente en vormen ze gas. In de praktijk zie je dan bellen ontstaan in het magma, dit heet exsolutie. Denk aan het openen van een fles cola, alleen kunnen daar de bellen ontsnappen, omdat cola heel vloeibaar is. In een magma kan dat soms niet, als het magma taai (visceus) is en de bellen zich niet kunnen verplaatsen. Die gasbellen oefenen druk uit. Zo kan het dus gebeuren dat, door het wegvallen van de druk óp het magma, de druk van binnenuit juist toeneemt. Als de druk van binnenuit groter wordt dan de sterkte van de bindingen in het magma (de ketens van silicium die het visceus maken), kan de boel uit elkaar spatten. Potentieel dus een (explosieve) eruptie (figuur 2B). Zie ook de uitleg in het artikel over de Geldingadalir en Soufrière.

Bij de uitbarsting van de Semeru hebben vermoedelijk beide processen plaatsgevonden. Een plausibel scenario is: door de zware regenval en de lahar is de lavakoepel gaan schuiven en uiteengevallen, waardoor in het hete binnenste ineens de druk wegviel (de dop ging van de colafles) en het gesteente door de interne gasdruk uit elkaar spatte. Dit leidde tot pyroclastische stromen die van de helling omlaag stroomden. Doordat er van de top van de vulkaan zo veel materiaal verdween, nam de druk op het magma ín de vulkaan af, waardoor dat tot uitbarsting kon komen. De combinatie van meer partiële smelt en meer exsolutie van opgelost gas mondde uit in een hevige explosieve uitbarsting, waarbij een zuil van as en heet gas tot aan de stratosfeer opsteeg. En dit kon allemaal heel snel gebeuren, omdat er geen magma hoefde te worden aangevoerd of opgewarmd – alles was al ter plaatse en wachtte op de ‘trigger’ van een klein beetje drukverlaging.

Vulkanen, weer en klimaat

Dat vulkanen kunnen reageren op het weer speelt niet alleen bij de Semeru. Hetzelfde is bijvoorbeeld waargenomen bij de Soufrière Hills-vulkaan op Montserrat (een andere Soufrière dus), waar gedurende enkele jaren metingen werden verricht aan zowel regenval als seismische activiteit en verschijnselen aan het oppervlak. Na hevige regenval was er sprake van grotere activiteit, ook als het niet tot een uitbarsting kwam. Het water maakt het gesteente zwakker, waardoor het kan verbrokkelen en de druk op het magma eronder afneemt. En het water kan het gas tegenhouden dat uit magma ontsnapt, waardoor er meer interne druk wordt opgebouwd. Het gaat hier dus om een reactie van het magma op plaatselijke neerslag in de loop van enkele uren of dagen.

Er is ook een verband gevonden op een jaarlijkse en mondiale schaal. Onderzoekers bestudeerden een uitgebreide database van historische erupties bij een aantal goed geobserveerde vulkanen in de zogeheten Ring of Fire rondom de Grote Oceaan. Ze konden aantonen dat die statistisch gezien vaker uitbarsten in bepaalde tijden van het jaar. Bij vulkanen op gematigde breedte op het noordelijk halfrond vinden erupties relatief vaker plaats in de wintermaanden aldaar (januari, februari en maart). De onderzoekers verklaren dat als volgt: in die periode is de neerslag op het noordelijk halfrond het grootst en zijn de verdamping en smelt het kleinst. Er is dan dus het meeste water opgeslagen op de continenten. Het globale zeeniveau is bijgevolg in die maanden het laagst, en daarmee ook de druk op de aardkorst aan de randen van de oceanen, waar (niet toevallig) ook veel vulkanen liggen. Een lagere druk betekent een net iets hogere kans op uitbarsting. Het verband gaat vooral op voor de ‘kleine’ erupties (die veel vaker voorkomen dan grote). Bij grotere uitbarstingen is de seizoensinvloed niet te zien. Dat is ook logisch: een kleine verandering in de druk kan een magma dat net tegen uitbarsten aanzit, in beweging brengen. Maar dan moet het magma al aanwezig zijn. Pas als er grootschalig magma  beweegt in de korst, is een echt grote uitbarsting mogelijk. Maar dan maakt zo’n kleine, seizonale drukverandering ook niet meer uit.

Er bestaat zelfs een verband op nog langere tijdsschaal, tussen vulkanisme en klimaatverandering, omdat deze enorme verschuivingen met zich meebrengt in de verdeling van ijs en zeewater over de aarde en dus lokaal grote veranderingen in de druk op magma teweeg kan brengen. Zo is recentelijk aangetoond dat vulkanisme op Santorini (Griekenland) verhoudingsgewijs veel meer voorkomt in tijden dat de zeespiegel 40 m of meer lager staat dan tegenwoordig. Met een stijgende zeespiegel zal het dus minder waarschijnlijk worden dat deze vulkaan nog eens uitbarst. Omgekeerd kan het in gebieden waar ijskappen en gletsjers afsmelten, juist waarschijnlijker worden dat vulkanen uitbarsten, zoals in IJsland en het zuiden van Chili.

Samenvattend: hoewel de locaties van vulkanen en de aanvoer van magma bepaald worden door processen diep in de aarde, hebben ogenschijnlijk oppervlakkige processen zoals regenval en de seizoenen een behoorlijke invloed op het uitbarsten van vulkanen. De belangrijkste verklaring is dat er in de korst magma kan zitten dat bijna, maar net niet, uitbarst, omdat de interne druk net te laag is, of het percentage kristallen net te hoog. Relatief kleine veranderingen in de druk aan het oppervlak die direct worden doorgegeven aan de diepe ondergrond, kunnen dan net een zetje geven waardoor het magma wél tot een uitbarsting komt.

BRONNEN

• Matthews, A.J., Barclay, J., & Johnstone, J.E. (2009). The fast response of volcano-seismic activity to intense precipitation: Triggering of primary volcanic activity by rainfall at Soufrière Hills Volcano, Montserrat. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 184 (3-4), 405-415.
• Mason, B.G., Pyle, D.M., Dade, W.B., & Jupp, T. (2004). Seasonality of volcanic eruptions. Journal of Geophysical Research 109, B04206.
• Satow, C., Gudmundsson, A., Gertisser, R. et al. (2021). Eruptive activity of the Santorini Volcano controlled by sea-level rise and fall. Nature Geoscience 14, 586-592.