Lava gibt es in zwei „Geschmacksrichtungen“. Wissenschaftler haben vielleicht endlich herausgefunden, warum

Während eines Familienurlaubs im Jahr 2018 wanderte Jenny Suckale über einen alten hawaiianischen Lavastrom, als ihr eine abrupte Veränderung der pechschwarzen Felsen ins Auge fiel. Auf der einen Seite befand sich der glatte, wellige Lavatyp namens Pahoehoe (ausgesprochen pah-hoy-hoy); Auf der anderen Seite gab es die scharfe, gezackte Art, die als aa (ausgesprochen ah-ah) bekannt ist. Seit diesem Tag beschäftigt Suckale, einen Geophysiker an der Stanford University, eine täuschend einfache Frage: Was verursacht die dramatische Veränderung der Textur, die bei Laven weltweit zu beobachten ist?

Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler auf eine Reihe möglicher Schuldiger hingewiesen: die Geschwindigkeit eines Flusses, die Neigung des Bodens, über den er sickert, oder die Menge der ausgebrochenen Lava. Aber kein einzelner Faktor hat die Verschiebung erklärt. Durch die Modellierung der Dynamik von Lavaströmen haben Suckale und ihre Kollegen nun eine weitere Erklärung geliefert: Der abrupte Übergang könnte durch eine chaotische Bewegung innerhalb der Flut geschmolzenen Gesteins ausgelöst werden, berichtete das Team letzten Monat in Geophysical Research Letters.

Zu verstehen, wie sich Pahoehoe in AA verwandelt, ist mehr als nur wissenschaftliche Neugier, denn die beiden Lavaarten bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und stellen unterschiedliche Gefahren dar. Obwohl Wissenschaftler gut vorhersagen können, wohin die Lava insgesamt fließt, ist die Frage, wie schnell und weit sich Lava bewegt, ein viel schwierigeres Problem. „Die Möglichkeit, diesen Übergang zwischen den Strömungstypen abzubilden, würde einen großen Beitrag zur Lösung dieser Fragen leisten“, sagt Leif Karlstrom, ein Geowissenschaftler an der University of Oregon, der nicht Teil des Studienteams war.

Für das neue Modell ließen sich Suckale und ihre Kollegen von einem Experiment inspirieren, das vor fast einem Jahrhundert vom Geologen OH Emerson an der University of Hawaii in Manoa durchgeführt wurde. Emerson pulverisierte ein Stück gehärtetes Pahoehoe aus einem Ausbruch des hawaiianischen Vulkans Kilauea im Jahr 1920 und erhitzte das pulverisierte Gestein in einem Ofen, bis es weißglühend war und wie Honig sickerte. Dann schaltete er den Ofen ab und rührte das geschmolzene Material mit einem Metallstab um.

Innerhalb weniger Minuten hatte es sich zu einer klobigen AA-ähnlichen Textur verfestigt. Wie das Rühren einer Tasse Tee beschleunigte das Mischen der Lava die Abkühlung – und löste scheinbar die Bildung von AA aus, sagt die leitende Studienautorin Cansu Culha, Postdoktorandin an der University of British Columbia.

Die Forscher fragten sich, ob das Mischen den Übergang auch in der Natur durch ein Phänomen namens Scherinstabilität auslösen könnte. Wenn sich zwei Schichten innerhalb einer fließenden Substanz mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, schleift die schnellere Schicht beim Vorbeiströmen an der langsameren Schicht entlang. „Sie reiben sich einfach gegenseitig“, sagt Suckale. Das Ergebnis ist, dass alle Wellen entlang der Schichtgrenze zu turbulenten Wellen verstärkt werden.

Um die Idee zu testen, erstellten die Forscher ein Fluiddynamikmodell, um das Verhalten einer virtuellen Lava zu simulieren, die in zwei Schichten aufgeteilt wurde: eine kühlere, klebrigere Oberseite, die auf einer heißeren, schnelleren Unterseite sitzt. An der Grenze zwischen den beiden Schichten brachten sie kleine Wellen ein, die sich zwangsläufig aufgrund von in der Natur üblichen Unvollkommenheiten bilden, etwa darunter liegenden Unebenheiten auf dem Boden oder Blasen in der Lava.

Anschließend testete das Team die Stabilität der Lava bei verschiedenen Geschwindigkeiten, Viskositäten und Schichtdicken. Die Analyse ergab, dass in vielen Fällen Veränderungen in der Umgebung, wie z. B. steilere Hänge oder zunehmende Eruptionsraten, die Wellen verstärkten, was zu einer außer Kontrolle geratenen Vermischung – und der wahrscheinlichen Bildung von AA – führen konnte. „Das kann ziemlich schnell außer Kontrolle geraten“, sagt Suckale.

Das neue Modell könnte helfen, die Vielfalt der zuvor beobachteten Bedingungen zu erklären, die den Übergang von Pahoehoe zu AA auslösen – oder warum er manchmal überhaupt nicht stattfindet. „Das ist eine sehr aufregende Möglichkeit“, sagt Arianna Soldati, eine Vulkanologin an der North Carolina State University, die nicht Teil des Studienteams war.

Es sind jedoch weitere Tests erforderlich, um zu zeigen, dass das Modell die Realität unter der brodelnden Lavaoberfläche widerspiegelt. Da sich Lava nur schwer direkt untersuchen lässt, wäre eine Möglichkeit, das Modell im Labor mit einem Analogon für geschmolzenes Gestein wie Wachs zu testen, schlägt Karlstrom vor.

Dennoch unterstreicht die neue Forschung den Wert von Studien, die sich auf die grundlegende Mechanik konzentrieren. „Ich denke, hier gewinnen wir Einblicke in die Prozesse, die diese großen Naturphänomene vorantreiben“, sagt Karlstrom.