mini|hochkant=1.5|Partikel vulkanischer Asche (Rockland Ash Fall, Kalifornien, 600.000 Jahre alt) unter dem Elektronenmikroskop
Der Begriff vulkanische Asche bezeichnet in der Vulkanologie sehr kleine Pyroklasten beliebiger Form (< 2 mm), die bei einem explosiven Ausbruch eines Vulkans entstehen. Vulkanasche bildet zusammen mit den vulkanischen Lapilli (> 2 mm), den vulkanischen Bomben (> 64 mm, gerundet, ursprünglich geschmolzen) und den vulkanischen Blöcken (> 64 mm, eckig, zum Zeitpunkt des Auswurfs bereits fest) die pyroklastischen Sedimente. Diese werden auch Tephra genannt, wenn sie noch unverfestigt sind bzw. nach ihrer Verfestigung pyroklastische Gesteine.
Vulkanische Asche hat positiven Effekt auf die Bodenverbesserung, als Aschewolke jedoch negativen auf die Gesundheit, das Klima und die Sicherheit des Flugverkehrs.
Die allgemein bekannte Asche, die aus mineralischen Verbrennungsrückständen organischen Materials besteht (Zigarettenasche, Holzasche), hat mit Asche im vulkanologischen Sinn nichts zu tun.
Definition und weitere Einteilung mini|Aufnahme einer Probe Asche der 1980er Eruption des Mount St. Helens, Washington, in starker Vergrößerung mini|„Flug“ durch den µCT-Bildstapel einer Probe vulkanischen Sandes von der Südspitze Islands. Es sind unterschiedliche Korngrößen (teilweise bereits im Lapilli-Bereich), Porositäten und Dichten sichtbar. Vulkanische Asche ist ausschließlich über die Korngröße definiert, d. h. die chemisch-mineralogische Zusammensetzung und die Form der Komponenten spielt keine Rolle. Der Begriff Asche im vulkanologischen Sinn bezeichnet einfach Pyroklasten, die kleiner als 2 mm sind. Vulkanische Asche besteht aus feinen Lava-Fetzen, Glasfragmenten, klein zerriebenem vulkanischem Gestein oder auch aus Einzelkristallen. Sie wird nach der Definition der IUGS (International Union of Geological Sciences) in grobe Asche (1/16 mm bis 2 mm) und feine Asche oder Aschenstaub (< 1/16 mm) unterteilt.
Nach der älteren Unterteilung von Sohn und Cough (1989)Y. K. Sohn, S. K. Chough: Depositional processes of the Suwolbong tuff ring, Cheju Island (Korea). In: Sedimentology. Band 36, Nr. 5, 1989, S. 837–855, doi:10.1111/j.1365-3091.1989.tb01749.x. kann auch eine Dreiteilung der Aschefraktion vorgenommen werden in: grobe Asche (1/2–2 mm) mittelfeine/mittelgrobe Asche (1/16–1/2 mm) feine Asche (feiner 1/16 mm)
Sie wird derzeit zum Teil noch parallel zur obigen Empfehlung der IUGS benutzt.
Ablagerungen vulkanischer Asche mini|Vulkanische Ablagerungen einschließlich Ascheschichten in Weibern in der Eifel Vulkanische Aschen sind Bestandteile pyroklastischer Sedimentabfolgen. Die lockeren pyroklastischen Sedimente werden auch als Tephra bezeichnet. Wenn diese verfestigt sind, spricht man von pyroklastischen Gesteinen. Der Anteil vulkanischer Asche innerhalb einer pyroklastischen Abfolge wächst mit zunehmendem Abstand zum Herkunftsort, d. h. zum entsprechenden Vulkan. Ab einer bestimmten Entfernung zum Vulkan bestehen die pyroklastischen Sedimente eines Ausbruches ausschließlich aus Asche.
Wird vulkanische Asche zu einem pyroklastischen Gestein verfestigt (lithifiziert), wird dieses als Tuff oder genauer Aschentuff bezeichnet sofern es mehr als 75 % Aschepartikel enthält. Die Bezeichnung „Tuff“ ist bzw. war in der Literatur jedoch mehrdeutig, weshalb die Bezeichnung „Aschentuff“ vorzuziehen ist. Aschentuff kann weiter in Groben Aschentuff und Feinen Aschentuff (oder auch Staubtuff) unterteilt werden.
Ein Lapilli-Tuff ist hingegen insgesamt grobkörniger und enthält bis zu 25 % vulkanische Bomben und Blöcke und mehr als 75 % Lapilli und Asche. Insgesamt muss ein Gestein aus mehr als 75 % Pyroklasten bestehen, damit es überhaupt als „Tuff“ bezeichnet werden darf. Eine Ablagerung, die weniger als 75 % Pyroklasten enthält, wird Tuffit genannt.
Auswirkungen vulkanischer Aschen auf das Klima mini|Dünen aus vulkanischer Asche an der Küste von Tavurvur, Rabaul, Papua-Neuguinea mini|Aschepilz über dem Guagua Pichincha nahe Quito, Ecuador, während des Ausbruchs im Jahre 2000 Bei einer Vulkaneruption können gewaltige Mengen an vulkanischer Asche freigesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist der Inselvulkan Krakatau, der in der Sundastraße zwischen Java und Sumatra liegt. Als er am 27. August 1883 ausbrach, lieferte er 18 km3 Aschenpartikel, die bis zu 25 km hoch in die Erdatmosphäre geschleudert wurden und drei Jahre lang die Erde umkreisten. Vielerorts riefen sie Trübungsschleier, Dämmerungserscheinungen und Himmelsverfärbungen hervor. Hinzu kommen außerdem „Gewitter“ innerhalb der Aschewolken: Die Ascheteilchen werden durch die Reibung elektrostatisch aufgeladen, dadurch kommt es zu Blitzen und gewitterähnlichen Erscheinungen, bei denen sich die Ladungsunterschiede abbauen.
Noch extremere Auswirkungen hatte die Explosion des Tambora im Jahre 1815. Dabei wurde so viel Asche und Aerosol in die Atmosphäre geschleudert, dass weltweit auf Jahre hinaus das Klima beeinflusst wurde. Das darauf folgende Jahr 1816 ging sogar als das Jahr ohne Sommer in die Geschichte ein.
Ähnlich langanhaltende Trübungen der Erdatmosphäre traten mehrmals in der Erdgeschichte durch große Meteoriteneinschläge auf, die auch zum Massenaussterben vieler Arten geführt haben.
Bodenkunde Vulkanische Aschen besitzen dank ihres Mineralgehalts einen hohen bodenverbessernden Wert. In günstigen Klimata können sie bereits nach wenigen Jahren landwirtschaftlich genutzt werden.
Gesundheitsrisiken Vulkanische Asche enthält teilweise große Mengen für Menschen und Tiere giftige Substanzen. Außerdem können sich die Aschepartikel in der Lunge ansammeln und dort zu Husten, Luftnot und Lungenvernarbungen führen. Dazu muss die Konzentration aber erheblich sein. Beim Ausbruch des Eyjafjallajökull 2010 in Island wären nur Personen in Island selber von dieser Gefahr betroffen gewesen, diese wurden aber rechtzeitig evakuiert. Im übrigen Europa war die Konzentration der Partikel zu klein, um gefährlich zu werden.
Gefahren für den Luftverkehr Sehr feinkörnige Vulkanasche, die während einer Eruption in die höheren Schichten der Atmosphäre aufsteigt, stellt – zumindest in größeren Konzentrationen – eine gravierende Gefahr für die Luftfahrt dar. Für den Zeitraum zwischen 1973 und 2000 sind ca. 100 Begegnungen von Luftfahrzeugen mit Aschewolken dokumentiert.Im Protokoll einer Ausschusssitzung des U.S.-Senats aus dem Jahr 2006 anlässlich des Ausbruches des Mount St. Augustine wird für die gleiche Anzahl Ereignisse der Zeitraum von 1980 bis 2005 genannt. Schäden an den Flugzeugen traten dabei innerhalb eines Radius von maximal 3300 km (1800 mi) um den entsprechenden Vulkan auf. In sieben dieser Fälle, in Abständen von ca. 270 bis 1100 km (150 bis 600 mi) zum entsprechenden Vulkan, traten Triebwerksausfälle während des Fluges auf, in drei Fällen sogar ein kurzzeitiger Ausfall aller Triebwerke. Jedoch führte bisher noch kein solches Ereignis zu einem Absturz. Der finanzielle Gesamtschaden aller Ereignisse wird mit einer Viertelmilliarde Dollar beziffert.
Über die tatsächliche Gefahr, die von Vulkanasche für Flugzeuge ausgeht, herrschte lange Zeit Unklarheit. Einerseits sind Aschewolkendurchflüge mit fast katastrophalem Ausgang bekannt, andererseits auch solche ohne Auffälligkeit. Kontrovers war dahingehend das über weite Teile Europas verhängte Flugverbot im Zusammenhang mit der Eruption des Eyjafjallajökull 2010. Nachträgliche Betrachtungen ergaben, dass das umfassende Flugverbot so nicht zu rechtfertigen war, weil die im entsprechenden Zeitraum gemessenen Aschekonzentrationen überall deutlich unter dem von der britischen Zivilluftfahrtbehörde und Herstellern als kritisch erachteten Grenzwert von 2 Milligramm pro Kubikmeter lagen.Vulkan Eyjafjallajökull: Forscher simulieren Ausbreitung der Aschewolke. In: Spiegel online. 14. Mai 2012. Der Grenzwert war allerdings erst nach dem Vorfall eingeführt worden.
Folgende gefährliche Wirkungen von Vulkanasche insbesondere auf Verkehrsflugzeuge werden angeführt:
Beschädigung der Außenhaut Durch die hohe Fluggeschwindigkeit wirken Aschepartikel aufgrund ihrer relativ großen Mohshärte (5,5–7) und ihrer Scharfkantigkeit wie ein Sandstrahlgebläse.S. R. Gislason, T. Hassenkam, S. Nedel, N. Bovet, E. S. Eiriksdottir, H. A. Alfredsson, C. P. Hem, Z. I. Balogh, K. Dideriksen, N. Oskarsson, B. Sigfusson, G. Larsen, S. L. S. Stipp: Characterization of Eyjafjallajökull volcanic ash particles and a protocol for rapid risk assessment. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United states of America. Band 108, Nr. 18, 2011, S. 7307–7312, doi:10.1073/pnas.1015053108 Dies gilt vor allem für die größeren Partikel, die allerdings wegen ihres Gewichts relativ schnell zu Boden fallen und nicht in größere Höhen getragen werden. Scheiben: Durch den Aufprall von Aschepartikeln können die Glasscheiben des Cockpits so weit undurchsichtig werden, dass keine Sicht mehr besteht. Dieses ist während des Reisefluges weniger problematisch als während der Landung. Tragflächen: auch eine aerodynamische Beeinträchtigung der durch die Aschepartikel aufgerauten Tragflächen mit Auswirkung auf die Sicherheit wird teilweise für möglich gehalten.
Triebwerke Beim Durchfliegen von vulkanaschehaltiger Luft können Triebwerke beschädigt werden und zeitweise oder vollständig ausfallen, abhängig von der Art und Dichte der Aschewolke und der Dauer des Durchflugs. Folgende Effekte können auftreten:
Ablagerungen geschmolzener Aschepartikel an Teilen der Brennkammer und der Turbinen sowie teilweiser Verschluss der Treibstoffdüsen: Die Aschepartikel typischer explosiver zirkumpazifischer Stratovulkane beginnen bei etwa 1100 °C zumindest teilweise zu schmelzen,Samuel E. Swanson, James E. Beget: Melting Properties of Volcanic Ash. In: Thomas J. Casadevall (Hrsg.): Volcanic Ash and Aviation Safety: Proceedings of the First International Symposium on Volcanic Ash and Aviation Safety. In: U.S. Geological Survey Bulletin. Nr. 2047, 1994, S. 87–92. und ähnliche Werte wurden auch für den isländischen Vulkan Eyjafjallajökull ermittelt. Demgegenüber herrschen in der Brennkammer eines modernen Strahltriebwerks bis zu 2500 °C, wobei die Temperatur auf Reiseflughöhe typischerweise 1450 °C beträgtWilly J. G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke: Grundlagen, Aero-thermodynamik, Kreisprozesse, Thermische Turbomaschinen, Komponenten und Emissionen. 2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag, Berlin u. a. 2004, ISBN 3-540-40589-5, .. Daher schmelzen in die Brennkammer geratene Aschepartikel und erstarren bei Kontakt mit kühleren Maschinenteilen wieder, wodurch sich u. a. auf den Schaufeln der Hochdruckturbine und vor allem an den vorgeschalteten Leitblechen (engl.: nozzle guide vanes) glasartige Krusten bilden. Zudem entstehen an den Treibstoffeinspritzdüsen kohlige Ablagerungen, die zwar nicht die zentrale Öffnung aber die Drallflügel der Einspritzdüsen verstopfen, was dafür sorgt, dass der Treibstoff nicht mehr ausreichend zerstäubt wird.