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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-57461
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5746/


Eruption Dynamics of Vulcanian and Sub-Plinian Volcanoes: From the Generation of Pulses to the Formation of Clouds

Eruptionsdynamik Vulkanischer und sub-Plinianischer Vulkane: Von der Pulsentstehung bis zur Wolkenbildung

Scharff, Lea

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SWD-Schlagwörter: Vulkanologie , Doppler-Radar , Computersimulation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Eruptionsdynamik , Santiaguito Vulkan , Colima Vulkan
Freie Schlagwörter (Englisch): Eruptiondynamics , Santiaguito volcano , Colima volcano
Basisklassifikation: 38.37 , 38.79 , 54.76
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hort, Matthias (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 19.07.2012
Kurzfassung auf Englisch: Understanding the dynamics of ongoing volcanic eruptions is a key factor in predicting the input and transport of volcanic ash in the atmosphere. For this prediction precise measurements of the mass flux at the volcanic vent and in the first few hundred meters of eruption cloud formation are necessary. The Doppler radar technique provides particle velocities and a proxy of the mass flux, and is used here in two field experiments at Santiaguito volcano (Guatemala) and Volcán de Colima (Mexico) to constrain the near-vent dynamics of volcanic events.
Using the Doppler radar technology I am able to show that eruptions at Santiaguito volcano are comprised of multiple explosive degassing pulses occurring at a frequency of 0.2 to 0.3Hz. During four days of continuous measurement a total of 157 eruptive events were recorded. The Doppler radar data reveals a vertical uplift of the dome surface immediately prior to a first degassing pulse and particle velocities range from 10–15m/s (along-beam component). In 80% of the observed eruptions a second degassing pulse emanates from the dome with significantly higher particle velocities (20–25m/s again along-beam) and increased echo power, which translates to an increase in massflux. Using a numerical model for ballistic particle transport and calculating corresponding synthetic radar signals I show that the observations are consistent with a pulsed release of material from the dome of Santiaguito volcano.
To explain the possible origin of the pulsed events, I developed two simple mechanical models: (A) a vertically oscillating compressible magma column and (B) a rigid cap-rock representing the dome resting on a gas-bubble rich magma layer, here approximated by a layer of hot volcanic gas. These models have been inspired by the knowledge that a highly viscous magma rising through a conduit is often subject to shear fragmentation near the conduit walls. In model (A) the sudden displacement of the magma column is assumed to lead to longitudinal oscillations of the column itself, provided that the magma is compressible. Here the oscillation amplitude and frequency are controlled by the bulk modulus of the magma and the length of the displaced magma column, resp. In model (B) the sudden upward motion of the magma column compresses an overlying hypothetical layer of bubble rich magma sandwiched between magma column and overlying cap-rock. Pressure buildup inside this layer causes the cap-rock to uplift and release gas, but it sinksback because of its weight. This repeated movement is observed as an oscillation of the dome surface.
For the measurement of the evolution of dynamic processes during the few hundred meters of eruption cloud formation, I installed a standalone Doppler radar monitoring station at Volcán de Colima, Mexico. A total of 91 events with durations of 20 to 200 seconds have been recorded during six months. The velocity measurements can be classified into ballistic, i.e. Santiaguito-like, and non-ballistic events. The ballistic events are characterized by (a) intense jetting of short duration (1–5s) with velocities of up to 55m/s along the radar beam (measured ~150m above the vent) and (b) high settling velocities, often occurring as series of pulses. The settling velocity constrains the maximum particle size involved in an eruption. Particles with radii >1cm preferentially decouple from the gas flow and fall out of the rising cloud with their terminal settling velocity, whereas particles <1mm tend to move with the gas and eventually follow convective trajectories. Using (1) the “active tracer high-resolution atmospheric model” (ATHAM) and (2) a multi-phase fluid dynamics model for dispersion of volcanic ash (PDAC), I model the first 400m of eruption cloud formation and find that non-ballistic events can be attributed to buoyantly rising clouds. For a comparison with the measured Doppler radar data, synthetic data are calculated from the numerical model results by converting particle properties into synthetic Doppler radar velocity spectra. In addition, the 2D axis-symmetric simulations show that (a) pulses are local phenomena and can only be observed in the jet region of the cloud and (b) a pulsed release of gas and ash significantly affects the total rise height of the cloud and hence the injection height of fine ash into the atmosphere.
Kurzfassung auf Deutsch: Das Verständnis der Eruptionsdynamik ist ein Schlüsselfaktor in der Vorhersage des Ascheeintrags und atmosphärischen Aschetransports. Für diese Voraussage sind präzise Messungen des Masseflusses am Schlotausgang und in den ersten hundert Metern der Eruptionswolkenbildung notwendig. Mit der Dopplerradar-Technik werden die Partikelgeschwindigkeiten und ein Schätzwert für den Massefluss gemessen. Sie wird hier in zwei Experimenten an den Vulkanen Santiaguito in Guatemala und Colima in Mexiko verwendet, um die Dynamik in der Nähe des Schlotausgangs zu bestimmen.
Mit Hilfe des Dopplerradars kann ich zeigen, dass die Eruptionen am Vulkan Santiaguito aus mehreren, aufeinander folgenden, explosiven Entgasungen mit einer Frequenz von 0,2-0,3Hz bestehen. In vier Tagen und Nächten wurden insgesamt 157 Ereignisse beobachtet. Die Dopplerradar-Daten zeigen eine vertikale Hebung der Domoberfläche unmittelbar vor der ersten explosiven Entgasung, welche Geschwindigkeiten im Bereich von 10-15m/s (parallel zum Radarstrahl) aufweist. In 80% der beobachteten Eruptionen tritt ein zweiter Entgasungspuls mit deutlich höheren Geschwindigkeiten (20–25 m/s auch parallel zum Radarstrahl) und erhöhter Echoleistung auf. Letztere deutet auf einen größeren Massefluss hin. Mit Hilfe eines numerischen Modells für ballistischen Transport von Partikeln und der Berechnung der entsprechenden synthetischen Radarsignale kann ich zeigen, dass die Beobachtungen einer gepulsten Freisetzung von Material entsprechen.
Um die mögliche Ursache gepulster Events zu erklären, habe ich zwei einfache mechanische Modelle entwickelt: (A) eine vertikal oszillierende kompressible Magmasäule und (B) eine feste Gesteinskappe, die die Domoberfläche darstellt und auf einer an Gasblasen reichen Magmaschicht ruht, die mittels einer Schicht heißen vulkanischen Gases angenähert wird. Diese Modelle sind durch das Wissen inspiriert, dass das hochviskose Magma beim Aufstieg durch den Schlot an den Schlotwänden hohen Scherspannungen ausgesetzt ist und dadurch fragmentiert. In Modell (A) wird, vorausgesetzt das Magma ist kompressibel, eine plötzliche Verschiebung der Magmasäule longitudinale Schwingungen der Säule selbst auslösen. Schwingungsamplitude und Frequenz hängen in diesem Fall vom Kompressionsmodul des Magmas, bzw. der Länge der schwingenden Magmasäule ab (hier 50-400 m). In Modell (B) komprimiert die plötzliche Aufwärtsbewegung der Magmasäule die darüberliegende Schicht aus hypothetischem, blasenreichen Magma, das zwischen der Magmasäule und der darüberliegenden Gesteinskappe liegt. Druckaufbau im Inneren dieser Schicht bewirkt eine Anhebung der Gesteinskappe mit gleichzeitigem Ausströmen von Gas. Die Kappe sinkt aufgrund ihres Gewichts aber wieder zurück. Diese wiederholte Bewegung kann als eine Oszillation der Domoberfläche beobachtet werden.
Für die Messung der dynamischen Prozesse in der frühen Phase der Eruptionswolkenbildung, habe ich ein Dopplerradar am Volcán de Colima in Mexiko installiert. Während des sechsmonatigen Experiments wurden insgesamt 91 Eruptionen mit einer Dauer von 20 bis 200 Sekunden detektiert. Die Events können anhand ihrer Geschwindigkeiten in ballistische (Santiaguito-ähnliche) und nicht-ballistische Ereignisse klassifiziert werden. Die ballistischen Ereignisse sind durch (a) intensives Gasjetting von kurzer Dauer (1–5s) mit Geschwindigkeiten von bis zu 55m/s entlang des Radarstrahls (~150m über dem Schlot gemessen) und (b) hohen Fallgeschwindigkeiten charakterisiert und treten häufig als Serie von Pulsen auf. Die Fallgeschwindigkeit schränkt die maximale Partikelgröße, die in einem Ausbruch vorkommt, ein. Partikel mit Radien >1cm entkoppeln bevorzugt aus dem Gasstrom und fallen mit ihrer terminalen Sinkgeschwindigkeit aus der aufsteigenden Wolke, während Partikel <1mm dazu neigen, sich mit dem Gas auf konvektiven Flugbahnen zu bewegen.
Mit (1) dem Atmosphärenmodell ATHAM und (2) einem Multiphasen-fluiddynamischen Modell für die Dispersion von Vulkanasche (PDAC) modelliere ich die ersten 400m der Eruptionssäule und kann dabei zeigen, dass die nichtballistischen Ereignisse den konvektiv, auftriebsbedingt aufsteigenden Wolken zugeschrieben werden können. Für einen Vergleich mit den gemessenen Dopplerradar-Daten habe ich synthetische Daten aus den numerischen Modellergebnissen durch Umwandlung der Partikeleigenschaften in synthetische Dopplerradar-Geschwindigkeitsspektren berechnet. Darüber hinaus zeigen die zweidimensionalen achsensymmetrischen Simulationen, dass (a) Pulse ein lokales Phänomen darstellen und nur im Gasjet zu beobachten sind und (b) eine gepulste Freisetzung von Gas und Asche bedeutenden Einfluss auf die Steighöhe der Wolke und damit auch auf die Injektionshöhe von feiner Asche in die Atmosphäre hat.

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