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Exupéry

Managing Volcanic Unrest – The Volcano Fast Response System

Antrag zum BMBF-Programm ”Geotechnologien”: Frühwarnsysteme im Erdmanagement

Der kleine Prinz (Antoine de Saint-Exupéry)

Initiiert von:

T. Dahm, Inst. für Geophysik, Uni. HamburgM. Hort, Inst. für Geophysik, Uni. Hamburg (Koordinator)

J. Wassermann, Dept. für Geo- und Umweltwissenschaften, LMU München

Managing Volcanic Unrest – The Volcano Fast Response System - 1 -

ZusammenfassungNeben Erdbeben, Überflutungen und Stürmen sind vulkanische Unruhe und vulkanischeEruptionen eine der größten Naturgefahren auf der Erde. Im Rahmen dieses Antrages schlagenwir die Entwicklung des Kernes eines mobilen Volcano Fast Response Systems (VFRS) vor,das im Fall einer vulkanischen Krise oder vulkanischer Unruhe schnell installiert werden kann.Das System baut auf etablierte Beobachtungstechnologien, wie z.B. Seismizität oder Bodende-formation auf. Eine wesentliche Neuerung des Systems ist die direkte Einbindung satellitenba-sierter Beobachtungsmethoden, um großflächig Bodendeformationen, gefährliche Gase undthermische Aktivität am und um den Vulkan beobachten zu können. Das Rückgrat des VFRS istein WLAN Netzwerk, welches die zentrale Datenbank mit den Stationen im Gelände verbindet.Durch die Nutzung internationaler Standards bei der Datenübertragung ist das System zudemoffen für neue viel versprechende Messmethoden. Die Rohdaten werden nach Aufzeichnungweiter ausgewertet und in verschiedene Modelle eingegeben, um den aktuellen Aktivitätszu-stand des Vulkans zu charakterisieren und Warnstufen zu bestimmen. Alle Daten und Modeller-gebnisse werden durch ein GIS System visualisiert, um die Daten an lokale Entscheidungs-träger weiterzureichen.

1. Stand der Forschung1.1 Einleitung

Viele der auf der Welt möglicherweise aktiven Vulkane werden zur Zeit noch gar nichtüberwacht. Weniger als 25% derjenigen Vulkane, von denen bekannt ist, dass sie einehistorische Eruption hatten, besitzen eine Basisüberwachung, und nur etwa zwei DutzendVulkane haben ein tatsächlich relativ gut ausgebautes Monitoring System (Ewert und Miller,1995). Hinzu kommt, dass 75% der größten vulkanischen Eruptionen seit 1800 an Vulkanenaufgetreten sind, die in den letzten 10.000 Jahren keine Eruptionen zeigten (Simkin undSiebert, 1994), also als inaktiv angesehen wurden. Die Fähigkeit, schnell auf vulkanischeUnruhe zu reagieren, die insbesondere an bisher nicht überwachten Vulkanen auftritt ist dahereine gesellschaftliche Herausforderung, nicht zuletzt deshalb, weil die mit Vulkanen verbundeneGefahr sich nicht nur auf die Eruption an sich beschränkt, sondern auch Erdbeben, den Austrittgefährlicher Gase (Nyos See, Kamerun; Sigvaldason, 1989), Flankenbewegungen und andereDeformationen, Tsunamis (Stromboli, Italien; Bonaccorso et al., 2003), Flankenkollapse undsogar globale Klimaveränderungen (z.B. Eruption des Mt. Pinatubo, 1991; McCormick et al.,1995) beinhaltet. Die Definition von Kriterien, mit denen sich vulkanische Eruptionenvorhersagen lassen, ist daher ein fundamentales Ziel vulkanologischer Forschung. Es ist zudemeine notwendige Voraussetzung für jegliche erfolgreiche Gefahrenreduktion im Zusammenhangmit vulkanischer Aktivität.

Die Frage, warum Vulkane eruptieren, ist nicht einfach zu beantworten. Es handelt sich hier umein fundamentales Problem, weil nur ein kleiner Anteil der Magmen, die in der Tiefe erzeugtwerden, jemals die Oberfläche erreicht (Crisp, 1984). Einer der Schlüssel zum besserenVerständnis des eruptiven Potentials vulkanischer Systeme ist verknüpft mit der Fähigkeit, denSpannungszustand in einem vulkanischen System zu charakterisieren (z.B. Walter et al., 2005).Zudem ist es wichtig zu wissen, wie das System auf kleinste Parameteränderungen (z.B. Druck,Temperatur, Wassergehalt usw., siehe auch Hill et al., 2002) reagiert. Während das ersteProblem im Wesentlichen durch geeignete Überwachungsmethoden und Modelle gelöst werdenkann, beinhaltet das zweite Problem ein tieferes Verständnis der Antwort des vulkanischenSystems auf verschiedene Kräfte, die auf es wirken. Dies erfordert ausgeprägte Modellstudien,um bisher unverstandene interne Feedback-Mechanismen besser einzugrenzen. Nur dann istman in der Lage, kritische Zustände zu identifizieren und zu verstehen, wie kleinsteÄnderungen im System den finalen Aufstieg des Magmas auslösen können.


Ist die Vorhersage vulkanischer Eruptionen ein realistisches Ziel? Ja, weil:� Vulkane im Wesentlichen Punktquellen sind und so eine fokussierte Untersuchung erlau-

ben,� ihre Anzahl limitiert ist und nur wenige Vulkane jedes Jahr neu entstehen,� die gesamte Eruptionsgeschichte eines Vulkans stratigraphisch in ihm abgelegt ist,� und viele verschiedene chemische und physikalische Vorläufe aufgezeichnet werden

können.

Eine erfolgreiche Vorhersage der Eruption gelang sowohl am Mt. St. Helens, USA (Lipman undMullineaux, 1981; Swanson et al., 1983) als auch am Mt. Pinatubo 1991 (Newhall undPunongbayan, 1996). In beiden Fällen konnten durch Evakuierungsmaßnahmen Tausende vonLeben gerettet werden. Grundlage dieser Vorhersage war eine kombinierte geodätische,seismologische, petrologische (im Fall von Pinatubo) und Fernerkundungs- Analyse. DieserErfolg unterstreicht zum einen die Bedeutung einer Multiparameter Überwachungsstrategie undzum anderen die Wichtigkeit der Aufzeichnung verschiedenster Vorläuferphänomene. Beidesermöglicht letztendlich dann eine korrekte Charakterisierung des vulkanischen Aktivitätszu-standes. Da jedoch die Ursache der meisten Vorläuferphänomene an aktiven Vulkanen nochnicht wirklich verstanden wird, treten viele Vulkaneruptionen nach wie vor unerwartet auf. Eineerfolgreiche Gefahrenanalyse erfordert deshalb signifikante Fortschritte in der Modellierungvulkanischer Prozesse, damit die Vorläuferphänomene besser verstanden werden.

1.2 Bekannte und vermutete Triggermechanismen für vulkanischeEruptionen

In den letzten zwei bis drei Jahrhunderten sind verschiedenste Mechanismen zur Auslösungvulkanischer Unruhe identifiziert worden. Schaut man sich ein vulkanisches System unter einemabstrakten Blickwinkel an, so handelt es sich um ein System, welches verschiedensten Kräftenausgesetzt ist. Unabhängig davon, welche Kraft man untersucht, stellt sich am Ende immer dieFrage: Hat sich der Spannungszustand innerhalb des Systems infolge der auf dasSystem wirkenden Kräfte verändert? Nur wenn dies der Fall ist, kann es zu einer Eruptionkommen. Daher verändern alle Mechanismen, von denen man weiß oder von denen manvermutet, dass sie vulkanische Eruptionen auslösen können, den Spannungszustand imSystem, einige auf eine sehr direkte Weise (z. B. die Injektion von Magma). Eine erfolgreicheFrühwarnung hängt daher zu großen Teilen von der Fähigkeit ab, den Spannungszustand einesvulkanischen Systems auf verschiedensten Zeitskalen aufzulösen. Zu den etablierten Trigger-mechanismen zählen Magmen Injektionen (z.B. Kilauea Vulkan, Hawaii, Eaton and Murata,1960; Tilling and Dvorak, 1993) und Magmen Mischung (z.B. Pallister et al, 1992; Eichelberger,1995), Entgasungsprozesse (z.B. Holloway, 1976), und Magma/Wasser Interaktion (White undHoughton, 2000). Verbesserte Monitoringtechniken und Beobachtungen aus dem Weltraumhaben zur Identifizierung verschiedener neuer Triggermechanismen geführt, wie z.B. dieAbstrahlung seismischer Energie bei Erdbeben (z.B. Barrientos, 1994; Marzocchi et al., 2002;Moran et al., 2002) tektonische Spannungen (z.B. Nostro et al. 1998), meteorologische (z.B.Violette et al., 2001; Hort et al., 2003, Richter et al., 2004) und klimatische Bedingungen (z.B.Schmincke, 2004), gravitative Belastungen (Borgia et al., 2000) und Gezeitenkräfte (z.B.Tolstoy et al., 2002; Emter, 1997).

2. Ziele und ArbeitsplanEine wesentliche Motivation für die vulkanologische Forschung ist die schnell anwachsendeBevölkerungsdichte, die zunehmende Anzahl von sogenannten Megacities und die komplizier-ten Kommunikations-, Transport- und Versorgungsnetzwerke, welche die Verletzlichkeit der


modernen Gesellschaft insbesondere in der Nähe von großen Vulkanen (z. B. Neapel, Catania,Tokyo, Mexico City, Seattle, Manila, Yogyakarta und Managua) dramatisch erhöht haben. Dadie meisten der Hochrisiko-Vulkane (insbesondere in der EU) schon in vielfacher Weiseüberwacht werden, schlagen wir hier nicht vor, ein komplett neues Monitoring System fürVulkane zu entwickeln, sondern wir favorisieren die Entwicklung eines mobilen Volcano FastResponse Systems (VFRS), welches auf einem Vulkan im Fall einer auftretenden Unruhezusätzlich installiert werden kann, um die veränderte Lage zu beurteilen. Die wesentliche Idee,die diesem System zu Grunde liegt, ist:

� dass das System aufgrund von intelligenter, kabelfreier Kommunikation zwischen denverschiedenen Stationen und dem Datenzentrum schnell installiert werden kann,

� dass eine große Anzahl von Stationen ausgebracht werden kann, wobei diese Stationensowohl kostengünstig als auch sehr energiesparend sein müssen,

� dass alle Daten inklusive der Daten von dem schon existierenden Netzwerk (offenesSystem) in einer zentralen Datenbank abgelegt werden,

� dass Modelle entwickelt werden, um Aktivitätsparameter aus den aufgezeichnetenDaten abzuleiten,

� dass die Daten in Echtzeit visualisiert und zum Teil auch analysiert werden und� dass objektive und zuverlässige Datenbewertungen durchgeführt werden, die dann als

Empfehlung an das Krisenmanagement weitergegeben werden können.

Das vorgeschlagene System soll ein existierendes Netzwerk verdichten, wobei auch relativneue Beobachtungsparameter eingeschlossen werden sollen, die z.Zt. normalerweise nicht anVulkanen aufgezeichnet werden. Wir glauben aber gerade, dass diese Parameter ein nochbesseres Verständnis der Prozesse innerhalb des vulkanischen Systems erlauben. Zur Ent-wicklung des Volcano Fast Response Systems gehört ein Paket von Programmen, welches aufdie aufgezeichneten Daten zugreift und Prozesse innerhalb des Vulkangebäudes modelliert, umdie internen Rückkopplungsmechanismen besser zu verstehen. Dadurch erhoffen wir uns eineVerbesserung der Frühwarnung. Alle Daten werden in einer zentralen Datenbank abgelegt. DieErgebnisse der verschiedenen Datenanalysen und Modellierungen werden in eine zweite GISbasierte Datenbank eingespeist. Ein GIS basiertes Visualisierungssystem wird diese Metadatenin Echtzeit darstellen und so eine kontinuierliche Visualisierung der Systemaktivität ermög-lichen.

Alle Daten und Informationen, die mit dem VFRS aufgezeichnet werden, werden mit denPartnern vor Ort diskutiert und an sie weitergereicht, um die lokalen Experten bei derEinschätzung der Sachlage zu unterstützen. Dies ist eine hochsensible Angelegenheit underfordert ein Höchstmaß an Diplomatie. Es ist selbstverständlich, dass alle offiziellenMitteilungen im Hinblick auf den Aktivitätszustand des Vulkans ausschließlich von den lokalenVerantwortungsträgern gemacht werden und nicht von uns. Unsere Aufgabe besteht darin,zusätzliche Beobachtungsparameter und Informationen zur Verfügung zu stellen, aber es istnicht unsere Aufgabe, diese Daten auch nach außen zu kommunizieren und Maßnahmeneinzuleiten.

Für den Fall, dass tatsächlich eine Task Force aufgebaut werden soll betonen wir hier, dasszusätzliche Mittel benötigt werden, um z.B. Instrumente zu erwerben. Im Rahmen diesesAntrages planen wir nicht, Standardgeräte für vulkanische Beobachtungen, wie z.B. Seismo-meter und Logger anzuschaffen. Für die Testinstallation werden Geräte vom DEPASInstrumentenpool geliehen oder aber von den verschiedenen Arbeitsgruppen mit in das Systemeingebracht. Nur zwei neue Geräte sollen neben dem WLAN Netzwerk erworben werden.Details hierzu finden sich in den einzelnen Arbeitspaketen.

Wir möchten an dieser Stelle betonen, dass es innerhalb der dreijährigen Förderung diesesProjektes sicherlich nicht möglich sein wird, ein perfektes, mobiles Vulkan-Frühwarnsystemaufzubauen. Nichts desto trotz schlagen wir vor, den Kern eines solchen offenen Systems zu


entwickeln, welches genau definierte Schnittstellen besitzt und so eine Erweiterung desSystems über die nächsten Jahre erlaubt. Wir sehen unser Volcano Fast Response System alseine Basis für ein vulkanisches Task Force Team und als einen Beitrag zu dem möglicherweisekommenden Vulkangefahren Forschungsprogramm des 7. Rahmenprogramms der EU (s.a.weiter unten in der Sektion zu Internationalen und Europäischen Kooperationen).

Wir merken weiterhin an, dass wir davon ausgehen, dass das vulkanische System, an dem wirunser Volcano Fast Response System in einer Prototyp Installation aufstellen wollen, sehr gutkartiert ist. Dies bedeutet, dass die eruptive Geschichte des vulkanischen Systems genaubekannt ist und als Randbedingung für die Empfehlungen, welche an die lokalen Behördengegeben werden, genutzt werden kann. Weiterhin sehen wir die Einbeziehung älterer Daten,die mit einem schon vorhandenen Netzwerk aufgezeichnet worden sind, als sehr wichtig an.Diese Daten sind deshalb so wichtig, weil sie die Hintergrundaktivität des Systems dokumen-tieren. Für den Fall, dass das Volcano Fast Response System später an einem vulkanischenSystem, dessen Eruptionsgeschichte unbekannt ist, eingesetzt werden soll, wird ein Teil derArbeit der Task Force darin bestehen, die eruptive Geschichte des Systems zusammenzustel-len. Die vergangene Aktivität ist eine essentielle Information und ein Schlüssel zur erfolgreichenVorhersage der zukünftigen Aktivität (z.B. Newhall und Punongbayan, 1996). Insbesonderediese Kartierungsaufgaben würden jedoch den Umfang dieses Antrages sprengen, undaußerdem hängen sie sehr stark von dem Vulkan ab, der tatsächlich beobachtet werden soll.

2.1 Projektstrategie

Das Projekt beinhaltet insgesamt acht verschiedene Arbeitsgruppen, die an den verschiedenenTeilen des VFRS arbeiten. Wir haben das Projekt insgesamt in fünf Arbeitspakete eingeteilt,welche verschiedene zusammenhängende Arbeitsschritte beinhalten. Dies fördert dieKommunikation zwischen den verschiedenen Arbeitsgruppen, die an ähnlichen Fragestellungenarbeiten. Drei der Arbeitspakete fokussieren auf das Vorantreiben bodengebundener (Arbeits-paket 1) und weltraumbasierter Beobachtungen (Arbeitspaket 2) sowie auf die Entwicklungeiner zentralen Datenbank, eines Systems für Warnstufen und Visualisierungswerkzeuge(Arbeitspaket 3). Ein Arbeitspaket fokussiert auf die quantitative physikalische Modellierung undDateninterpretation (Arbeitspaket 5). Im Arbeitspaket 4 haben wir die Entwicklung desKommunikationsnetzwerkes und der Prototypinstallation des VFRS und die allgemeine Koordi-nation des gesamten Projektes zusammengefasst. Wir betonen, dass ein derart komplexesProjekt eine dedizierte Person für die Koordination benötigt um sicherzustellen, dass alleverschiedenen Aufgaben sowohl zeitgerecht als auch komplett durchgeführt werden. Dieserlaubt das frühe Erkennen von Problemen und eröffnet so die Möglichkeit, schon früh nachLösungen zu suchen diese Probleme zu umgehen und so eine zeitgerechte Komplettierung desProjektes sicherzustellen. Bevor wir uns der Zeitplanung des Projektes zuwenden, werden kurzdie Inhalte der verschiedenen Arbeitspakete dargestellt und die Einsatzstrategie des VFRSerläutert.

Arbeitspaket 1: Bodengebundene BeobachtungenZiel dieses Arbeitspaketes ist die Zurverfügungstellung von neuen Instrumenten fürbodengebundene Beobachtungsmethoden. Eines der wesentlichen Probleme bei derInstrumentierung eines Vulkans während einer Krise ist

a) die Verfügbarkeit einer signifikanten Anzahl von Instrumenten, welcheb) in einer sicheren Entfernung des Vulkans installiert werden können und dennoch

wichtige Daten liefern, diec) alle in Echtzeit an ein zentrales System übertragen werden müssen, umd) dort in Echtzeit ausgewertet zu werden.


Abbildung 1: Verbindungen zwischen den verschiedenen Arbeitspaketen.

Die wohl bekannteste und etablierteste Observationsmethode ist die Beobachtung derseismischen Aktivität. Breitbandseismometer sind sehr weit entwickelt, und für unsereTestinstallation des VFRS werden wir 3-Komponenten Breitbandstationen aus demamphibischen Pool DEPAS einsetzen. Neben den seismischen Beobachtungen werden wirzwei neue bodengebundene Observationstechniken in das System einbinden: a) hochauflösen-de lokale Deformationsmessungen, die mit einem bodengebundenen InSAR-System durchge-führt werden und b) bodengebundene Gasmessungen. Der große Vorteil von bodengebun-denen InSAR-Systemen, welche zur Zeit auch schon kommerziell erworben werden können, istihre hohe Auflösung und ihre beliebige zeitliche Wiederholbarkeit, die nicht an Umlaufzeiten vonSatelliten gebunden ist. Entgasungsraten sind auch sogenannte Schlüsseldaten, zeigen siedoch Aktivitätsänderungen in dem magmatischen System an. Daher bauen wir in unser Systemein Mini DOAS ein, welches kontinuierliche Gasmessungen und Gasflüsse verschiedenstervulkanischer Volatile erlaubt.

Arbeitspaket 2: Weltraumgebundene BeobachtungenZiel dieses Arbeitspaketes ist der Einbau weltraumbasierter Beobachtungen in dasVFRS, da in den letzten Jahren die Entwicklung weltraumgebundener Beobachtungen einimmer größeres Feld für die Vulkanologie durch z. B. Deformationsmessungen (Massonette etal., 1993; Satelliten/Instrumente: Envisat, ERS 1, 2, ALOS, Terrasar), die Detektion vonthermischen Anomalien (Wright et al., 2004, Satelliten/Instrumente: AVHRR, GOES, MODIS,ASTER), und die Identifikation von großräumigen Entgasungssignaturen, insbesondere SO2

(z.B. Eisinger und Burrows, 1998, Satelliten/Instrumente: GOME-2) eröffnet hat. Satelliten miteiner Umlaufzeit von 2 Tagen (z.B. TerraSAR) oder geplante Missionen, bei denen sogar 12-Stunden-Zyklen (FIRES) erreicht werden, oder aber Daten von geostationären Satelliten, wiez.B. das GOES-System erlauben heutzutage schon eine nahezu kontinuierliche Echtzeit-beobachtung. Der Einbau weltraumgebundener Beobachtungen wird zweigleisig durchgeführt:erstens werden wir werden ältere Satellitendaten nutzen, um die Entwicklung der Deformationund der Entgasung vor der Krise zu bestimmen und zweitens soll das System auch nahezuEchtzeitdaten von TerraSAR, GOME-2 und MODIS auswerten, was eine wesentliche Neuerunggegenüber schon existierenden Systemen darstellt.


Arbeitspaket 3: Datenbanken, IT-Struktur und VisualisierungZiel dieses Arbeitspaketes ist die Entwicklung einer Datenbank mit einer GIS Anbindungund dazugehörigen Visualisierungswerkzeugen sowie die Bestimmung von verschiede-nen Warnstufen. Der Erfolg des VFRS liegt sowohl in der Fähigkeit des Systems, sich mitschon bestehenden Netzwerken in dem neuen drahtlosen WLAN-Netzwerk zu verbinden alsauch in der Kombination der verschiedenen Roh- und Modelldaten. Zur Zeit gibt es keinDatenbanksystem, welches diese Multiparameterdaten, die aus modernen vulkanologischenMonitoring Techniken resultieren (z.B. Zschau et al., 1998; Neuberg, 2000; Richter et al., 2004)abspeichern kann. In der Praxis bedeutet dies einen hochdimensionalen, komplexen (roh undparametrisierten) Datenstrom mit verschiedenen Abtastraten und Zeitgeschichtenabzuspeichern und zu analysieren. Der Erfolg des Systems ist eng verbunden mit der Fähigkeitdes Systems, die Daten und Ergebnisse zu visualisieren. Teile der aufgezeichneten Daten (z.B.Gasmessungen) können direkt dargestellt werden während z.B. seismische Daten vorher nochprozessiert werden müssen, um z.B. Hypozentren zu bestimmen (siehe AP5).

Alle direkten Daten und die Ergebnisse der verschiedenen Analysen werden in einer GIS-basierten Metadatenbank abgelegt. Es werden verschiedene Werkzeuge entwickelt, um dieseDaten entweder in Echtzeit anzusehen oder aber ihre zeitliche Entwicklung über einenbestimmten Zeitraum darzustellen. Durch Übereinanderlegen eines existierenden GIS-Systemsmit Landnutzungsdaten, kritischen Bauten und gefährdeten Industriekomplexen usw. könnenexistierende Evakuierungspläne und Evakuierungsrouten im Lichte der gewonnenenErgebnisse und der Aktivität gegebenenfalls geändert werden.

Arbeitspaket 4: Prototypinstallation des Volcano Fast Response Systems und allgemeineProjektkoordinationZiel dieses Arbeitspaketes ist die Entwicklung eines WLAN-Netzwerkes, die Installationund der Test des VFRS (Land- und Seeteil) und die Koordination des gesamten ProjektesExupéry. Einer der Schlüssel zum Erfolg des VFRS ist das drahtlose Netzwerk, welches eserlaubt, das System sehr schnell zu installieren. Das Netzwerk wird aus sogenanntenMeshnodes, welche ein selbstorganisiertes Multipoint zu Multipoint Netzwerk aufbauen, zusam-mengestellt. Vorteil dieser Netzwerkstruktur ist, dass Daten über verschiedene Netzwerksträngeübertragen werden können, wenn eine Verbindung zwischen zwei Knoten ausfällt. Das VFRSwird in einer sogenannten Prototypinstallation getestet. Diese beinhaltet einen Land- und einenmarinen Teil, welche nahezu zur selben Zeit ausgebracht werden sollen. Ein entsprechenderAntrag zur Unterstützung des marinen Teils ist bei der Senatskommission für Ozeanographieeingereicht und befürwortet worden und der Fahrtleiter (Dr. Ch. Hübscher aus Hamburg) istbenannt. Die Installation des VFRS ist zur Zeit für die Monate 18–21 geplant, weil zu diesemZeitpunkt die Basisfunktionalität des VFRS zur Verfügung stehen wird. Ein Durchführen derInstallation zu einem deutlich späteren Zeitpunkt würde nicht genügend Zeit lassen, um dasSystem zu verbessern und Fehler auszumerzen. Hierzu werden die Daten, die während derPrototypinstallation aufgezeichnet wurden, allen Teilnehmern zur Verfügung gestellt, um dieFunktionalität des Systems mit Hilfe der aufgezeichneten Daten weiterzuentwickeln und zuverbessern. Details hierzu finden sich in den verschiedenen Arbeitspaketen. Das VFRS wird aufden Azoren getestet, weil die Situation am Fogo-Vulkan auf der Insel Sao Miguel nahe derStadt Ponta Delgada z.Zt. unklar ist. Fogo zeigt seit Mai 2002 seismische Unruhe und GPS-Messungen deuten auf eine Absenkung der Nordost-Flanke des Vulkans hin.


Arbeitspaket 5: Multiparameteranalyse kontinuierlicher Netzwerkdaten für quantitative physika-lische ModellentwicklungZiel dieses Arbeitspakets ist die Entwicklung physikalischer Modelle für das VFRS zurBestimmung des Spannungszustandes in dem Vulkan. Das Verständnis von Prozesseninnerhalb von Vulkanen ist zum einen deshalb so schwierig, weil Vulkane extrem heterogenaufgebaut sind und zum anderen, weil viele der Prozesse und interne Rückkopplungsmechanis-men noch nahezu unverstanden sind. Struktur sowie verschiedenste interne Rückkopplungs-mechanismen können also unter Umständen dafür verantwortlich sein, dass kritische Span-nungen in dem System entstehen und es so zu einer Eruption kommt. Im Rahmen dieses APwerden insbesondere seismologische und Deformationsmessungen ausgenutzt, um denAktivitätszustand eines Vulkans zu charakterisieren. Insbesondere werden Algorithmen zurEreignisdetektion und Inversionswerkzeuge für transiente und quasi-kontinuierliche Signaleentwickelt. Die Lokalisierung verschiedener aufgezeichneter Ereignisse wird mittelsverschiedener Ansätze vorgenommen. Diese beinhalten seismische MomententensorInversionen, statische Quellinversionen und Coda-Analyse. Die Ergebnisse dieser Arbeitenwerden in das AP3 übergeben (Meta Datenbank), um sie dort in Echtzeit darzustellen.

3. Einsatzstrategien für das VFRSEine Voraussetzung für die temporäre Installation des VFRS ist die Bitte einer ausländischenAdministration oder der Regierung um Hilfe bei der Beurteilung vulkanischer Unruhe oder einervulkanischen Krise. Die Bitte um Hilfe kann verschiedenste Stufen technischer Hilfeeinschließen, welche vom einfachen Ausleihen von Instrumenten bis hin zur Installation vonverschiedenen Komponenten des VFRS reicht. Vor dem Ausbringen des VFRS oder Teilendavon muss im Detail geklärt werden, welche Art von Hilfe von der fremden Regierung erwartetwird und was tatsächlich von uns geleistet werden kann. Dies beinhaltet eine detaillierteErläuterung des Koordinators des VFRS, welche Systeme zur Verfügung stehen. An dieserStelle ist es von größter Bedeutung, sich an die lokalen Regierungsstrukturen zu halten, wenndie Art der Hilfe diskutiert wird. Dies erfordert mit größter Wahrscheinlichkeit auch dieUnterstützung der lokalen Deutschen Botschaft, um Missverständnisse vor Ort zu vermeiden.

Steht fest, welche Hilfe zur Verfügung gestellt werden soll, stellt der Koordinator ein kleinesTeam von Wissenschaftlern zusammen, welches diese Hilfe tatsächlich zur Verfügung stellt.Die Entscheidung, wer an diesem Einsatz teilnimmt, basiert auf a) besonderen Wünschen derfremden Administration, welche unter Umständen schon mit Wissenschaftlern aus Deutschlandzusammen gearbeitet hat, b) der Kenntnis der Instrumente, die eingesetzt werden sollen und c)auf die Expertise der verschiedenen Wissenschaftler im Hinblick auf das vulkanische System,das beobachtet werden soll. Die Gruppe soll so klein wie möglich gehalten werden um denEindruck zu vermeiden, dass man die lokalen Organisationen „übernehmen“ möchte.Wissenschaftler des VFRS stellen alle ihre Informationen den lokalen Wissenschaftlern undBehörden zur Verfügung. Sie werden auch die lokalen Wissenschaftler in der Nutzung desSystems anleiten, so dass diese die Technologie weiternutzen können, wenn darüber zuvor einAbkommen geschlossen worden ist. Während des kompletten Einsatzes des VFRS werden dieWissenschaftler keine Lageeinschätzung an die Presse weitergeben und keine offiziellen Vor-hersagen im Hinblick auf die Aktivität des Vulkans machen. Dies obliegt ausschließlich denlokalen Behörden. Diese Vorgehensweise ist notwendig um den lokalen Behörden die Möglich-keit zu geben, mit einer Stimme zu sprechen und um jegliche Konfusion im Hinblick auf dasKrisenmanagement zu vermeiden.


4. Projektkoordinator und PartnerDas gesamte Projekt wird von Matthias Hort am Institut für Geophysik der Universität Hamburgkoordiniert. Matthias Hort arbeitet seit fast 20 Jahren auf dem Gebiet der Magmaphysik. SeineArbeiten umfassen Konvektions- und Kristallisationsprozesse in Magmen, Analogexperimentezur Simulation von Prozessen in Magmakammern und im Erdmantel, Modellierung von Subduk-tionszonenprozessen und Mantel Plumes, die Entwicklung eines 4D dopplerradarbasiertenSystems zur Erfassung eruptionsdynamischer Prozesse und Geländearbeit an verschiedenenVulkanen.

Das Projekt schließt Wissenschaftler von der Universität Kiel, der Universität Hamburg, derBGR in Hannover, des GFZ in Potsdam, der Universität Potsdam, der Technischen UniversitätDarmstadt, der Universität München, der Technischen Universität München und der DLR inOberpfaffenhofen ein. Die Details zu den verschiedenen Partnern kann man den anhängendenLebensläufen entnehmen.

5. Zusammenhang zur aktuellen sozialen DiskussionEine Verminderung des Einflusses von Naturkatastrophen auf den menschlichen Lebensraumist ein grundsätzliches wissenschaftliches Forschungsziel. Im Rahmen der Vulkanologiefokussiert sich dieses Ziel auf die Vorhersage von Vulkaneruptionen in Raum und Zeit. DieErfolgschancen hierfür sind hoch, da Vulkane zum einen viele verschiedene Vorläufer-phänomene zeigen, welche vor Eruptionen registriert werden können. Zusätzlich sind Vulkanebekannte Punktquellen mit einer sehr gut bekannten Eruptionsgeschichte. Leider sind aber diemeisten Vulkane insbesondere in Dritte-Welt-Ländern nach wie vor im Wesentlichenunbeobachtet. Es ist dafür äußerst wünschenswert, gerade diesen Ländern im Fall einervulkanischen Krise Hilfe zur Verfügung zu stellen, um Risiken und den Verlust anMenschenleben zu minimieren. Mit Hilfe des mobilen Volcano Fast Response Systems,welches im Rahmen dieses Projektes entwickelt werden soll, wird die BundesrepublikDeutschland in die Lage versetzt, solchen Ländern im Falle einer vulkanischen Krise Hilfeanzubieten. Dies setzt jedoch voraus, dass zusätzliche Mittel für den Erwerb von Instrumentensowie den Einsatz der Task Force zur Verfügung gestellt werden. Dies ist jedoch nichtGegenstand dieses Antrages. Da es zur Zeit weltweit nur ein Krisen Response Team gibt,welches in den USA angesiedelt ist, kann es durchaus sein, dass verschiedene Länder esvorziehen werden, Hilfe von nicht US-basierten Einrichtungen in Anspruch zu nehmen. DasAngebot von Hilfe in solchen Fällen ist daher ein international sichtbares Signal. Zusätzlich zudem Einsatz des Volcano Fast Response Systems findet natürlich noch ein Transfer vonTechnologie und Wissen in diese ärmeren Staaten, in denen das System eingesetzt wird, statt.

6. Internationale und Europäische KooperationenDurch die individuelle Zusammenarbeit der Partner in diesem Projekt ist das Gesamtprojektsehr eng eingebunden in nationale sowie internationale Arbeiten. Details hierzu können deneinzelnen AP entnommen werden. Das 6. Rahmenprogramm der EU stellt keine direkten Mittelzur Finanzierung von Frühwarnsystemen in der Vulkanologie zur Verfügung. Wir erwartenjedoch, dass insbesondere nach dem schweren Erdbeben in Indonesien Ende 2004 im 7.Rahmenprogramm Förderwerkzeuge für Frühwarnsysteme enthalten sein werden, und wirwerden selbstverständlich versuchen an diesen Projekten teilzunehmen, um die Expertise die indiesem Projekt erworben wird, in die EU-Programme einzubringen. Während der Planungunseres Projekts haben wir Einzelheiten unseres Arbeitsprogramms und Ziele mit verschiede-nen Kollegen in der EU diskutiert und man sieht in unserer Initiative den Kern eines zukünftigenmobilen vulkanologischen Frühwarnsystems (siehe hierzu Briefe vom Direktor des INGV,


Italien, von Chris Kilburn, und von Chris Bean). Warner Marzocchi (auch INGV Italien) zeigtauch großes Interesse an unserem Projekt und hat seine EVENT Tree Software zum Einbauund Testen in das VFRS angeboten. Verschiedenste Teilnehmer an diesem Projekt sind zurZeit oder waren in verschiedene EU Programme (wie z. B. VolcAlert, Volcaware, Erupt undVolume, NOVAC) eingebunden, so dass auch die Ergebnisse und Arbeiten dieser Projektedirekt Eingang in unser Volcano Fast Response System finden. Die Testinstallation desSystems auf den Azoren steht in Verbindung mit dem EU VOLUME Projekt welches eineAbschwächungstomographie und neue CO2 Beobachtungsstationen beinhaltet.

7. FinanzenArbeitspaket Personal Geräte Verbrauch Reisen

WP1 Boden basierte Beobachtungen BAT IIa/286.760

149.800 9.300 17.400

WP2 Weltraum basierteBeobachtungen

0.75 BAT IIa140.985

0.75 BATIIa/2116.072

2.800 5.300 21.120

WP3 Datenbanken, IT-Architektur,Visualisierung

1 E13105.613

1 BAT IIa/286.760

20.000AuftragGISTec138.000

7.800 23.100

WP4 Prototype Installation, allgemeineProjektkoordination

1 BAT IIa187.980

1 BAT IIa/262.659

Hiwi3.380

54.960 27.000 30.300

WP5 quantitative physikalischeModelle

1 BAT IIa/274.646

1 BAT IIa/293.9901 E13

85.621Hiwi

12.219

16.100


8. Zeitplanung

WP

2:O

rder

ing

sate

llite

data

and

WP

3:Fi

naliz

ing

Aut

om.

Ale

rt.Le

vel

and


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