Warum werden Unterwasservulkane nicht durch Meerwasser gelöscht?

Solche Szenen sehen wir oft in Katastrophenfilmen und Fernsehsendungen: Unterwasservulkane brechen heftig aus und verursachen schreckliche Strudel und riesige Wellen …

Angesichts dieses Bildes haben sich viele Menschen folgende Frage gestellt:

Warum werden Unterwasservulkane nicht durch Meerwasser gelöscht?

Teil 1

Vulkan ≠ Berg, der Feuer spuckt

Bevor wir dieses Problem verstehen, müssen wir den falschen Eindruck einiger Leute richtigstellen: Vulkan ≠ ein Berg, der Feuer spuckt.

Wenn viele Menschen an einen Vulkan denken, denken sie vielleicht zuerst an einen hohen, kegelförmigen Berg, der dicke Rauchsäulen ausstößt – er sieht aus wie ein Berg, der Feuer spuckt. Nach dem Vulkanausbruch fiel eine große Menge weißer Vulkanasche über ein großes Gebiet, die der üblichen Asche, die wir sehen, sehr ähnlich war, sowohl feinkörniger Staub als auch grauweiße Farbe. So viele Menschen denken unbewusst, dass Vulkan = ein Berg ist, der Feuer spuckt.

Durch die feurig rote Farbe und den aufsteigenden schwarzen Rauch sieht es so aus, als würde der Vulkan tatsächlich brennen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Wenn wir jedoch herauszoomen und uns den Vulkan genauer ansehen, werden wir feststellen, dass dies überhaupt nicht der Fall ist. Denn die aus einem Vulkan austretende Lava ist eigentlich eine Flüssigkeit mit hoher Temperatur, die sich im Wesentlichen nicht von Wasser unterscheidet. Stattdessen handelt es sich um eine völlig andere Substanz als Feuer. Viele Nahaufnahmen von Lava zeigen deutlich, dass sie sich oft wie eine Flüssigkeit verhält.

Als wir in jungen Jahren Physik studierten, wussten wir, dass Materie in drei Phasen existiert: gasförmig, flüssig und fest. Mit Phasenänderungen sind Schmelzpunkt und Siedepunkt verbunden. Nehmen wir Wasser als Beispiel. Der Schmelzpunkt von Wasser liegt bei 0 °C und der Siedepunkt bei 100 °C. Wenn die Temperatur unter 0 °C liegt, sehen wir festes Wasser – Eis; bei einer Temperatur zwischen 0 °C und 100 °C sehen wir flüssiges Wasser; und wenn die Temperatur über 100 °C liegt, sehen wir gasförmiges Wasser – Wasserdampf.

Dieses Glas Wasser enthält drei Wasserphasen: gasförmig, flüssig und fest.

(Bildquelle: Wikipedia)

Im Grunde sind alle Substanzen so, sie haben Schmelz- und Siedepunkte und ändern mit der Temperatur ihre Phase. Magma ist geschmolzenes Gestein. Da die Zusammensetzung von Gestein sehr komplex ist, sind die Schmelz- und Siedepunkte der verschiedenen Bestandteile darin unterschiedlich, sodass das meiste Magma eigentlich eine Mischung aus Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen ist. Im Vergleich dazu ist eine Flamme der Prozess, bei dem brennbare Materialien bei der Verbrennung Licht, Wärme und verschiedene chemische Produkte freisetzen. Die Hauptbestandteile einer Flamme sind Kohlendioxid, Wasserdampf, Sauerstoff, Stickstoff und andere Gase.

Magma ist ein heißes Gemisch aus Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen

(Bildquelle: Wikipedia)

Flamme ist heißes Gas

(Bildquelle: Wikipedia)

Nachdem wir verstanden haben, dass Vulkane Magma ausspucken und dass Magma kein Feuer, sondern ein geschmolzener Körper mit hoher Temperatur ist, sollten wir auch verstehen, dass das ins Meerwasser gelangende Magma bei einem Ausbruch eines Unterwasservulkans eigentlich so ist, als würde man heißes Wasser in ein kaltes Waschbecken gießen, und nicht wie ein Feuer, das vom Meeresboden ausbricht – das kalte Wasser kühlt das heiße Wasser ab, kann es aber nicht verschwinden lassen, wie das Löschen einer Flamme, es sei denn, wir drehen den Warmwasserhahn manuell zu.

Teil 2

Woher kommen Unterwasservulkane?

Die Frage ist also: Da der Unterwasservulkan wie ein Wasserhahn ist, der ständig heißes Wasser ausspuckt, und das Meerwasser das Magma abkühlt und in Gestein verwandelt, wird die enorme Menge an Meerwasser das ausgestoßene Magma zweifellos verfestigen und so den Krater verschließen und einen erneuten Ausbruch des Unterwasservulkans verhindern, richtig?

Die Antwort ist nein. Da Vulkane tatsächlich das Produkt planetarischer Hitze und Materialzirkulation sind, werden Vulkane ihre Aktivität nicht einstellen, solange die Erde nicht untergeht.

Tatsächlich funktioniert die gesamte Erde nach grundlegenden physikalischen und chemischen Gesetzen, die jedoch nicht tiefgreifend sind. So lassen sich etwa die Entstehung und Aktivität von Vulkanen mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erklären – das klingt zwar sehr fachmännisch, doch sein Clausius-Ausdruck kommt unserem Leben sehr nahe: Wärme fließt immer spontan von Hochtemperatur-Wärmequellen zu Niedertemperatur-Wärmequellen, nicht umgekehrt.

Wenn wir die 4,6 Milliarden Jahre lange Evolution der Erde zurückverfolgen, werden wir die Wirkung dieses Gesetzes erkennen: Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstand die Erde nach und nach aus der Kollision unzähliger Planeten. Die Energie des Aufpralls wurde in Wärme umgewandelt. Daher war die Erde zu dieser Zeit eine riesige Magmakugel (die gesamte oder der größte Teil der Oberfläche bestand aus Magma) mit einer Oberflächentemperatur von Tausenden von Grad Celsius.

Durch den Einschlag unzähliger Asteroiden verwandelte sich die Erde in eine rote Magmakugel, der Ring auf dem Bild ist durch den Einschlag entstanden.

(Bildnachweis: flickr/Kevin Gill)

Da Magma flüssig ist, sinkt schwere Materie und leichte Materie schwebt (sehen Sie, hier eine weitere Regel der Physik). Wenn schwere Materie absinkt, wird die potentielle Gravitationsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Gleichzeitig sammeln sich die ursprünglich in den Planetesimalen verstreuten radioaktiven Elemente, zerfallen kontinuierlich und setzen dabei Energie frei. Diese Energie hält das Magma im Inneren der Erde erhitzt.

Gleichzeitig ist die Hintergrundtemperatur des Universums sehr niedrig und beträgt im Durchschnitt -270 °C. Daher gibt die Erde Wärme in Form von Wärmestrahlung kontinuierlich nach außen ab (es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Da das Universum jedoch ein Vakuum ist und kein Medium vorhanden ist, kann die Erde Wärme nur in Form von Wärmestrahlung nach außen abgeben).

Da die Wärme übertragen wurde, muss die Erde abkühlen. Die Oberfläche kühlt zuerst ab, daher kühlt das Magma hier zuerst ab und bildet Gestein, das die ursprüngliche Kruste bildet.

Als die Erde allmählich abkühlte, bildete Magma die ersten Gesteine ​​(schwarz im Bild).

Nach weiterer Evolution bildete sich schließlich die ursprüngliche Kruste.

(Bildquelle: Wikipedia/Jack Madden)

Mittlerweile hat sich die Erde zu einer dreischichtigen Struktur aus Kruste, Mantel und Kern entwickelt, und auch die Temperatur steigt von der Kruste zum Kern hin an. Gleichzeitig steigt die Dichte schwerer Materie immer weiter an, da diese weiter absinkt – die durchschnittliche Dichte der Kruste beträgt 2,8 g/cm³, die durchschnittliche Dichte des Mantels 4,59 g/cm³ und die durchschnittliche Dichte des Kerns 11 g/cm³. Wir können uns die Kruste also auch so vorstellen, als würde sie auf dem Mantel „schwimmen“ – genau wie ein Brett, das auf dem Wasser schwimmt.

Die drei Schichten der Erde

(Bildquelle: 123rf)

An diesem Punkt können wir uns die Erde als einen heißen Topf vorstellen – der Kern ist der Herd und seine Energie kommt aus der Gravitationspotentialenergie und der Strahlungswärmeenergie; der Mantel ist die Basis für die heiße Suppe, die durch den brennenden Herd immer weiter erhitzt wird; und die Kruste besteht aus den Kohlstängeln, die auf der obersten Schicht schwimmen. Durch die Erwärmung des Kerns kommt es im Mantel zu einer kontinuierlichen thermischen Konvektion: Der heiße Mantel bewegt sich vom Kern nach oben, und das kalte Mantelmaterial bohrt sich unter der Kruste nach unten.

Es wird angenommen, dass das thermische Zirkulationsmuster im Mantel eine vollständige Mantelzirkulation ist, während andere glauben, dass es sich um eine getrennte Zirkulation im oberen und unteren Mantel handelt.

(Bildquelle: Wikipedia)

Die Kruste ist im Vergleich zum Mantel und Kern sehr dünn. Die durchschnittliche Dicke der Kruste beträgt nur 17 Kilometer (33 Kilometer bei der kontinentalen Kruste und 10 Kilometer bei der ozeanischen Kruste). Selbst wenn man die aus festen Gesteinen bestehende Lithosphäre an der Spitze des oberen Erdmantels hinzuzählt, beträgt ihre Dicke nur etwa 100 Kilometer. Zum Vergleich: Die Dicke des Erdmantels beträgt bis zu 2.850 Kilometer. Daher werden diese dünnen, festen Gesteinsschichten durch die Bewegung des Erdmantels zwangsläufig auseinandergerissen und bewegen sich mit dem Erdmantel – genau wie sich die Kohlstängel im heißen Topf aufgrund der Bewegung der heißen Topfsuppe endlos bewegen.

Die Erdplatten bewegen sich ständig

(Bildquelle: Wikipedia)

Die abgerissenen Teile der Erdkruste werden zu Platten, und wenn sich die Erdkruste bewegt, bewegen sich auch die Platten, einige Platten kollidieren miteinander und einige Platten trennen sich voneinander. Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass die Grenzen zwischen diesen getrennten Platten dünn und zerbrechlich sind und dass das darunterliegende Mantelmaterial leicht durch die Gesteinsschicht brechen und an die Oberfläche austreten kann – wodurch ein langer Vulkangürtel entlang der Plattengrenzen entsteht.

Als sich die Platten immer weiter voneinander entfernten, kühlte das Magma aus Vulkanausbrüchen an den Plattengrenzen ab und bildete eine dünne Schicht, die ozeanische Kruste. Da diese Schicht viel dünner ist als die Schicht im Inneren der Platten, handelt es sich hier natürlicherweise um ein tiefliegendes Gebiet, in dem sich Wasser ansammelt und den Ozean bildet. Tatsächlich entsteht auf diese Weise der Ozean, und die Entstehung des Ozeans hängt eng mit der Plattenbewegung zusammen.

Auf der Erde finden wir heute Ozeane in unterschiedlichen Wachstumsstadien: Grabenbruch – kleines Ozeanbecken – ausgewachsenes Ozeanbecken – Ozeanbecken im Aussterbestadium – Ozeanbecken kurz vor der Schließung durch Absterben – völlig geschlossenes Ozeanbecken. In der Geologie ist dies als Wilson-Zyklus bekannt.

Wilson-Zyklus

(Bildquelle: Wikipedia)

Unterwasservulkane sind also tatsächlich das Ergebnis von Plattenbewegungen und die meisten von ihnen befinden sich an den Grenzen der Plattentrennung. Seit dem Zweiten Weltkrieg hat der Mensch im Zuge seiner intensiveren Erforschung der Ozeane lange unterseeische Vulkangürtel entdeckt, die sich meist in der Mitte des Ozeans befinden und als Mittelozeanische Rücken bezeichnet werden. Mit einer Gesamtlänge von etwa 80.000 Kilometern sind sie die längsten Gebirgszüge der Welt.

Verbreitungskarte der Mittelozeanischen Rücken auf der Erde. Wo es Mittelozeanische Rücken gibt, gibt es auch Unterwasservulkane.

(Bildquelle: Wikipedia)

Natürlich gibt es noch andere Unterwasservulkane. Ihre Entstehung hängt mit der Aktivität der Mantelplumes zusammen. Der Glühstrumpf wird nicht überall gleichmäßig erhitzt. Einige Teile des Mantelmaterials sind viel heißer als andere Stellen. Wenn sie heiß sind, laufen sie nach oben und bilden Mantelplumes, die direkt unter die Kruste reichen. Die Oberseite der Mantelplumes kann sich auch in viele kleine Plumes verzweigen und ihre Aktivitäten können die Beschränkungen der dünnen ozeanischen Kruste durchbrechen und zu kontinuierlich ausbrechenden Unterwasservulkanen führen. Die Entstehung der Hawaii-Inselkette steht damit im Zusammenhang.

In dieser Theorie bleibt die Position des Mantelplumes unverändert, aber aufgrund der Bewegung der Kruste (dunkelblaue Pfeile in der Abbildung) bildet der Mantelplume eine Reihe von Vulkanen auf der Kruste.

Die Zahlen im Bild geben das Alter der Inseln in Millionen von Jahren an, beispielsweise bedeutet 4,89 4,89 Millionen Jahre.

(Bildquelle: getarchive.net)

Die Hawaii-Inselkette aus dem Weltraum

(Bildquelle: Wikipedia)

Doch egal, ob es sich um den Rand der Platte oder den Mantelplume handelt: Die Entstehung von Vulkanen ist das Ergebnis der Wärmezirkulation im Inneren der Erde. Die dünne Schicht Meerwasser auf der Oberfläche allein kann die Aktivitäten im Erdinneren nicht stoppen. Sie müssen sich also keine Sorgen wegen der Unterwasservulkane machen!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Earth's Gravity

Hersteller: China Science Expo

Herausgeber: Sun Chenyu

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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