(NOAA/NSF/WHOI) Der Meeresboden ist bekanntermaßen unerforscht und ist es auch deutlich weniger detailliert abgebildet als die Oberflächen von Mars , der Mond Und Venus .
Das Ablassen des Wassers aus den Ozeanen würde eine riesige und weitgehend unbekannte Vulkanlandschaft freilegen. Tatsächlich findet der Großteil der vulkanischen Aktivität auf der Erde unter Wasser und in Tiefen von mehreren Kilometern im Tiefsee statt.
Doch im Gegensatz zu terrestrischen Vulkanen ist es schon äußerst schwierig, einen Ausbruch am Meeresboden zu erkennen.
Daher gibt es für Wissenschaftler noch viel zu lernen über den Unterwasservulkanismus und seine Rolle in der Meeresumwelt.
Jetzt unsere neue Studie zu Tiefseeausbrüchen, veröffentlicht in Naturkommunikation , gibt wichtige Erkenntnisse.
Erst in den 1950er Jahren erkannten Wissenschaftler das wahre Ausmaß des ozeanischen Vulkanismus entdeckte das globale mittelozeanische Rückensystem . Diese Erkenntnis war ausschlaggebend für die Theorie der Plattentektonik . Das Netzwerk vulkanischer Rücken erstreckt sich über mehr als 60.000 Kilometer rund um den Globus.
Nachfolgende Untersuchungen führten zur Entdeckung von „Black Smoker“-Belüftungsöffnungen , wo mineralreiche „hydrothermale“ Flüssigkeiten (erhitztes Wasser in der Erdkruste) in die Tiefsee ausgestoßen werden.
Angetrieben durch die Wärme des darunter liegenden Magmas beeinflussen diese Systeme die Chemie der gesamten Ozeane. Auch die Lüftungsschlitze Gastgeber „Extremophiler“ – Organismen, die in extremen Umgebungen überleben, von denen früher angenommen wurde, dass sie nicht in der Lage seien, Leben zu erhalten.
Aber viele Fragen bleiben offen. Es wurde lange angenommen, dass Tiefseeausbrüche selbst im Vergleich zu der Vielfalt der an Land beobachteten Eruptionsstile eher uninteressant seien.
Landvulkane, die ähnliche Arten von Magma produzieren wie diejenigen auf dem Meeresboden, wie etwa auf Hawaii oder Island, verursachen oft spektakuläre explosive Eruptionen, bei denen Vulkanasche (Tephra genannt) zerstreut wird. Aufgrund des Drucks des darüber liegenden Wassers galt eine solche Eruption in der Tiefsee als höchst unwahrscheinlich.
Aber Daten, die mit ferngesteuerten U-Boot-Fahrzeugen gesammelt wurden, haben gezeigt, dass sich Tephra ablagert kommen überraschend häufig vor auf dem Meeresboden. Einige marine Mikroorganismen (Foraminiferen) nutzen diese Vulkanasche sogar um ihre Hüllen zu konstruieren .
Diese Ausbrüche werden wahrscheinlich durch expandierende Kohlendioxidblasen verursacht. Dampf, der maßgeblich für explosive Eruptionen an Land verantwortlich ist, kann sich bei hohen Drücken nicht bilden.
Wissenschaftler haben auch sporadisch riesige Regionen hydrothermaler Flüssigkeit im Ozean über Vulkanrücken entdeckt. Diese rätselhaften Regionen mit erhitztem, chemikalienreichem Wasser werden als Megaplumes bezeichnet.
Ihre Größe ist wirklich immens, mit Volumina von über 100 Kubikkilometern – das entspricht über 40 Millionen olympischen Schwimmbecken.
Doch obwohl sie offenbar mit Meeresbodeneruptionen in Zusammenhang stehen, bleibt ihr Ursprung ein Rätsel.
Mega-Federn-Rätsel
In unserer Studie haben wir ein mathematisches Modell verwendet, um die Ausbreitung von U-Boot-Tephra im Ozean zu erklären. Dank an Detaillierte Kartierung einer Vulkanasche Da es sich um eine Ablagerung im Nordostpazifik handelt, wissen wir, dass sich dieser Tephra bis zu mehreren Kilometern vom Ort eines Ausbruchs entfernt ausbreiten kann.
Dies kann nicht einfach durch Gezeiten oder andere Meeresströmungen erklärt werden. Unsere Ergebnisse deuten vielmehr darauf hin, dass die Federn eine hohe Energie aufweisen müssen. Wie die atmosphärischen Fahnen, die man bei Erdvulkanen sieht, steigen diese zunächst durch das Wasser nach oben, bevor sie sich horizontal ausbreiten.
Die Wärmeübertragung, die erforderlich ist, um diesen Strom anzutreiben und die Tephra mit sich zu transportieren, ist mit etwa einem Terawatt überraschend groß (doppelt so viel wie nötig, um die gesamten USA auf einmal mit Strom zu versorgen). Wir haben berechnet, dass dadurch Fahnen ähnlicher Größe entstehen sollten, die tatsächlich gemessen wurden.
Unsere Arbeit liefert starke Beweise dafür, dass Megaplumes mit aktiven Eruptionen des Meeresbodens zusammenhängen und dass sie sich sehr schnell, wahrscheinlich innerhalb weniger Stunden, bilden.
Was ist also die konkrete Quelle dieser intensiven Hitze- und Chemikalienzufuhr, die letztendlich eine Megawolke erzeugt? Der offensichtlichste Kandidat ist natürlich die frisch ausgebrochene geschmolzene Lava. Auf den ersten Blick schienen unsere Ergebnisse eine solche Hypothese zu stützen.
Sie zeigen, dass die Megaplume-Bildung gleichzeitig mit dem Ausbruch von Lava und Tephra erfolgt. Aber als wir die dafür benötigte Lavamenge berechneten, war sie unrealistisch hoch, etwa zehnmal größer als die der meisten unterseeischen Lavaströme.
Unsere derzeit beste Vermutung ist, dass die Entstehung von Megaplumes zwar eng mit Eruptionen am Meeresboden verbunden ist, ihre Entstehung jedoch in erster Linie auf die Entleerung von Reservoirs hydrothermaler Flüssigkeiten zurückzuführen ist, die bereits in der Meereskruste vorhanden sind. Wenn Magma nach oben drängt, um Eruptionen am Meeresboden zu fördern, kann es diese heiße (>300 °C) Flüssigkeit mit sich treiben.
Extremes Leben
Heute wissen wir, dass es vielfältige Mikroorganismen gibt leben in Felsen unter der Oberfläche . So verblüffend die Entdeckung extremophiler Lebensformen rund um hydrothermale Quellen auch war, diese Entdeckung hat unsere Vorstellungen darüber, was Leben ist und wo es existieren könnte, noch weiter vorangetrieben.
Die Tatsache, dass unsere Forschung darauf hindeutet, dass Megaplumes aus der Kruste stammen, steht im Einklang mit dem Nachweis solcher Bakterien in einigen Megaplumes.
Das schnelle Ausströmen von Flüssigkeiten, die mit der Megaplume-Bildung einhergehen, könnte tatsächlich der primäre Mechanismus sein, der diese Mikroorganismen von ihrem unterirdischen Ursprung aus verteilt. Wenn ja, dann ist die vulkanische Aktivität in der Tiefsee ein wichtiger Faktor, der die Geographie dieser extremophilen Gemeinschaften beeinflusst.
Einige Wissenschaftler glauben, dass die ungewöhnlichen physikalischen und chemischen Bedingungen, die mit hydrothermalen Systemen am Meeresboden einhergehen, möglicherweise eine geeignete Umgebung dafür geschaffen haben Ursprung des Lebens auf der Erde . Megaplumes könnten daher an der Verbreitung dieses Lebens über den Ozean beteiligt gewesen sein.
Wenn es anderswo in unserem Sonnensystem Leben gibt, dann in hydrothermalen Quellen wie diesen vermutet, dass es auf dem Saturnmond Enceladus existiert , wäre ein guter Ort zum Nachschauen.
In Ermangelung anderer Nährstoff- und Lichtquellen verdanken diese Arten von Organismen – möglicherweise die ersten auf unserem Planeten – ihre Existenz der Wärme und den Chemikalien, die das Magma liefert, das nach oben steigt, um Vulkane am Meeresboden zu ernähren.
Da Megaplume-transportierte Vulkanascheablagerungen bei Tiefseevulkanen häufig vorkommen, deuten die Ergebnisse unserer Forschung darauf hin, dass die Verbreitung von Leben durch Megaplume-Emissionen weit verbreitet sein könnte.
Auch wenn es vorerst unwahrscheinlich ist, einen Tiefseeausbruch persönlich beobachten zu können, werden Anstrengungen unternommen, um Daten über unterseeische Vulkanereignisse zu sammeln.
Das bemerkenswerteste davon ist das Observatorium am Axial Volcano im Pazifik. Diese Reihe von Meeresbodeninstrumenten kann Daten in Echtzeit streamen und Ereignisse erfassen, während sie stattfinden.
Durch Bemühungen wie diese, zusammen mit der kontinuierlichen Kartierung und Probenahme des Meeresbodens, wird langsam der vulkanische Charakter der Ozeane enthüllt. 
David Ferguson , wissenschaftlicher Mitarbeiter für vulkanische Prozesse, Universität Leeds Und Sam Pegler , Akademischer Mitarbeiter der Universität für Angewandte Mathematik, Universität Leeds .
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