19Vulkanen

Op 17 mei 1980 stond een geoloog op een bergkam tien kilometer van Mount St. Helens, in het noordwesten van de Verenigde Staten, en maakte hij de foto hieronder links: een gladde, besneeuwde kegel, een van de sierlijkste bergen van het land. Al twee maanden trilde de berg, en zijn noordflank zwol als een ballon naar buiten op. De volgende ochtend, om 8.32 uur, schudde een kleine aardbeving hem door elkaar. De hele opgezwollen flank gleed weg, en de vulkaan explodeerde zijwaarts. Toen dezelfde bergkam in september weer gefotografeerd kon worden, zag de berg eruit als op de foto rechts.

In dit hoofdstuk snijden we een vulkaan open om te zien wat een uitbarsting aandrijft; we ontdekken waarom sommige vulkanen rustige rivieren van lava uitstorten terwijl andere zichzelf opblazen; en we bekijken de wereldkaart opnieuw om te zien waar de vulkanen liggen, en waarom.

Wat je al weet

Een vulkaan is een plek waar gesmolten gesteente van diep in de Aarde aan het oppervlak komt, en de heuvel of berg die het daar opbouwt. Tijdens een uitbarsting stoot hij lava, as en gas uit (Hoofdstuk 8). Onder de aardkorst bestaat de mantel uit heet gesteente dat vast is, hoewel het heel langzaam kan kruipen (Hoofdstuk 16). Basalt en graniet zijn stollingsgesteenten: ze ontstaan als gesmolten gesteente afkoelt en hard wordt (Hoofdstuk 15). De buitenste schil van de Aarde is gebroken in platen die een paar centimeter per jaar bewegen; hun randen zijn de plaatgrenzen (Hoofdstuk 18).

19.1 In een vulkaan

De mantel is vast. Toch smelt op een paar plaatsen, diep onder het oppervlak, een klein deel van het gesteente. Het gesmolten gesteente is lichter dan het vaste gesteente eromheen, dus stijgt het langzaam op en perst het zich door spleten omhoog, zoals een druppel olie die door water opstijgt.

Definitie 19.1 (Magma)

Magma is gesmolten gesteente onder de grond. Het is een hete vloeistof die ook kristallen kan meevoeren en waarin gassen zijn opgelost, zoals waterdamp en koolstofdioxide. Magma dat aan het oppervlak komt, heet lava; bij het naar buiten komen verliest het het grootste deel van zijn gas.

Opstijgend magma blijft onderweg vaak steken, een paar kilometer onder het oppervlak, waar het zich verzamelt in een grote holte. Daar wacht het, soms eeuwenlang, voordat een uitbarsting die holte gedeeltelijk leegmaakt.

Definitie 19.2 (Magmakamer)

Een magmakamer is een grote ruimte in het gesteente onder een vulkaan, een paar kilometer diep, waar magma zich verzamelt voor een uitbarsting.

Definitie 19.3 (Eruptieopening en krater)

Een eruptieopening is een opening aan het oppervlak waardoor magma, gas en as naar buiten komen. Een krater is de komvormige holte rond een eruptieopening, meestal op de top van de vulkaan.

Hetzelfde gesmolten gesteente heeft dus twee namen. Onder de grond is het magma; zodra het uit een eruptieopening is gekomen, is het lava. Het verschil is niet alleen een kwestie van woorden: magma houdt zijn gas nog vast, terwijl lava het grootste deel ervan aan de lucht heeft afgegeven. We zullen zien dat dit gas bepaalt wat voor uitbarsting een vulkaan heeft.

Hoe heet is het? Wetenschappers van het Hawaiian Volcano Observatory meten de lava als die uit de eruptieopeningen van de Kilauea komt, een van de vulkanen van Hawaï: ongeveer $1170{}^{\circ}\mathrm{C}$. Heet gesteente gloeit, en de kleur van de gloed hangt af van de temperatuur: speciale camera’s bepalen de temperatuur van een lavastroom van ver af door de kleuren van de gloed te meten. Zelfs het oog krijgt er een ruw idee van, zoals de tabel laat zien.

Opmerking 19.4 (Een korst die in een seconde afkoelt)

Als lava voor het eerst de lucht raakt, koelt het oppervlak elke seconde honderden graden af: op het gloeiende gesteente vormt zich meteen een donkere korst. Onder die korst blijft de lava lang heet. Op Hawaï is lava $10\,\mathrm{km}$ ver door tunnels onder een eigen verhard dak gestroomd, van een eruptieopening tot aan de zee, en bereikte de kust nog bij ongeveer $1140{}^{\circ}\mathrm{C}$: maar zo’n 30 graden koeler dan bij de eruptieopening.

19.2 Twee manieren van uitbarsten

Mount St. Helens blies zichzelf op. De vulkanen van Hawaï daarentegen storten meestal lava uit die langs hun hellingen wegstroomt. Geologen delen uitbarstingen in twee soorten in.

Definitie 19.5 (Effusieve en explosieve uitbarstingen)

Bij een effusieve uitbarsting komt het magma rustig naar buiten als lava, die van de eruptieopening wegstroomt, soms kilometers ver, of in fonteinen van gloeiende druppels omhoogspuit. Bij een explosieve uitbarsting wordt het magma door zijn eigen gas aan stukken geblazen: een kolom van as, gas en brokken gesteente wordt hoog de lucht in geslingerd.

Wat maakt het verschil? Twee dingen: hoe vloeibaar het magma is, en hoeveel gas het bevat.

Vloeibaar of stroperig. Sommig magma is vloeibaar, bijna als warme honing: zo is het magma dat afkoelt tot donker basalt, zoals op Hawaï. Ander magma is dik en stroperig, als koude honing of tandpasta. Door vloeibaar magma stijgen gasbellen gemakkelijk op en ontsnappen ze aan het oppervlak, een paar tegelijk. In stroperig magma zitten de bellen gevangen.

Weinig of veel gas. Een fles bruisend water bevat veel gas dat in het water is opgelost en daar wordt vastgehouden door de druk in de gesloten fles; je ziet het niet. Open de fles en de druk daalt: overal verschijnen bellen, en als de fles geschud is, spuit het schuim eruit. Magma diep onder de grond bevat ook gas dat onder hoge druk is opgelost. Terwijl het opstijgt, daalt de druk en komt het gas als bellen uit de oplossing vrij.

Zet de twee samen. Vloeibaar magma met weinig gas laat zijn bellen gaan en komt naar buiten als stromende lava: de uitbarsting is effusief. Stroperig magma vol gas houdt zijn bellen vast tot ze zo sterk opzwellen dat ze het magma aan flarden scheuren: de uitbarsting is explosief. De flarden schuimend magma stollen in de lucht tot as en tot puimsteen, een gesteente zo vol bellen dat het kan drijven.

Voorbeeld 19.6 (Pinatubo, 1991: de verschaalde frisdrank en de geschudde fles)

In juni 1991 bereikte het eerste magma het oppervlak van de Pinatubo, in de Filipijnen. Op weg naar boven had het het grootste deel van zijn gas verloren, “als een fles frisdrank die verschaald is”, in de woorden van de wetenschappers die de vulkaan in de gaten hielden. Het sijpelde langzaam naar buiten en hoopte zich op tot een heuvel boven de eruptieopening: geen explosie. Toen, op 12 juni, bereikte magma dat nog vol gas zat het oppervlak en explodeerde het — de kolom op de foto hierboven. Op 15 juni kwam er nog gasrijker magma aan, en had de vulkaan een van de grootste uitbarstingen van de twintigste eeuw: hij stootte meer dan vijf kubieke kilometer gesteente en as uit, zijn aswolk steeg tot $35\,\mathrm{km}$ hoogte, en de top van de berg stortte in tot een holte van $2.5\,\mathrm{km}$ doorsnee. Dezelfde vulkaan, dezelfde week: het gas maakte het verschil.

De vorm van een vulkaan bewaart de herinnering aan zijn uitbarstingen. Vloeibare lava stroomt ver voordat ze hard wordt, dus laag na laag bouwt ze een brede berg op met flauwe hellingen, met de vorm van een krijgersschild dat op de grond ligt: een schildvulkaan. De Mauna Loa, op Hawaï, is er een. Stroperige lava en as stapelen zich dicht bij de eruptieopening op tot een steile kegel van lagen lava en as: een stratovulkaan (strata betekent lagen). Mount St. Helens en de Pinatubo zijn er twee.

Methode 19.7 (Effusief of explosief? Vier aanwijzingen)

Zoek naar deze aanwijzingen om uit een beschrijving of een foto af te leiden wat voor uitbarsting een vulkaan heeft.

1. Wat komt er naar buiten? Lava die stroomt of in fonteinen omhoogspuit: effusief. Een askolom, weggeslingerde brokken gesteente: explosief.
2. De vorm van de vulkaan. Een brede berg met flauwe hellingen: vooral effusieve uitbarstingen. Een steile kegel: vaak explosief.
3. Het magma. Vloeibaar, weinig gas: effusief. Stroperig, veel gas: explosief.
4. De gesteenten die achterblijven. Donkere, massieve lavastromen: effusief. Lagen as en puimsteen: explosief.

Voorbeeld 19.8 (De aanwijzingen gebruiken)

Een reiziger beschrijft een vulkaan: “een enorme, zacht afgeronde berg, overal zwarte lavastromen op de hellingen, sommige pas een paar jaar oud”. Aanwijzing 2 (flauwe hellingen) en aanwijzing 4 (donkere lavastromen) wijzen allebei op effusieve uitbarstingen: het is een schildvulkaan, zoals de Mauna Loa.

In het laboratorium — Een vulkaan in een fles (in de klas, met de leraar)

De leraar neemt twee gesloten flessen bruisend water. De ene heeft stil gestaan; de andere is zachtjes geschud. Beide worden buiten geopend, boven een teil, weggericht van iedereen. De stille fles sist en laat een paar bellen opstijgen; de geschudde barst uit in schuim dat eruit spuit. Welke fles lijkt op het magma van Hawaï, welke op dat van de Pinatubo? Laat daarna een stukje puimsteen en een kiezel in een kom water vallen: de puimsteen drijft. Bekijk hem door een vergrootglas: hij zit vol gaatjes, de gasbellen die in het gesteente zijn gestold toen het magma uiteenspatte.

19.3 Wat er uit een vulkaan komt

Een uitbarsting stoot veel meer uit dan lava: gassen, as, brokken gesteente en, in de ergste gevallen, lawines van hete as.

Verreweg het meest voorkomende gas is waterdamp. Grote uitbarstingen stoten in korte tijd enorme hoeveelheden gas uit: op één enkele dag in 1991 zou de Pinatubo meer dan 250 miljoen ton gas de hogere atmosfeer in hebben gestuurd.

Definitie 19.9 (Pyroclastische stroom)

Een pyroclastische stroom is een snelle lawine van heet gas, as en stukken gesteente, van stofkorrels tot rotsblokken, die tijdens een explosieve uitbarsting langs de hellingen van een vulkaan omlaag raast. (Pyro betekent vuur en klastisch betekent opgebouwd uit gebroken stukken.)

Pyroclastische stromen bewegen meestal sneller dan $80\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$, en het gesteente en gas erin zijn doorgaans tussen 200 en $700{}^{\circ}\mathrm{C}$ heet. Ze volgen meestal de dalen, net als water, en slaan bijna alles op hun pad omver, verbranden het of begraven het. Op 18 mei 1980 raasden de pyroclastische stromen van Mount St. Helens met 80 tot $130\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$ omlaag, bij een temperatuur van minstens $700{}^{\circ}\mathrm{C}$, en kwamen ze tot $8\,\mathrm{km}$ van de krater.

De tabel vat de producten van een vulkaan samen.

Methode 19.10 (Hoe lang duurt het?)

Om te vinden hoe lang iets dat met een bekende snelheid beweegt erover doet om een afstand af te leggen, deel je de afstand door de snelheid:

$$\text{tijd} = \frac{\text{afstand}}{\text{snelheid}}.$$

Met een afstand in kilometer en een snelheid in kilometer per uur komt de tijd uit in uren; vermenigvuldig met 60 om minuten te krijgen.

Voorbeeld 19.11 (Een race tegen een pyroclastische stroom)

Een pyroclastische stroom die met $120\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$ beweegt, gaat af op een dorp $6\,\mathrm{km}$ verderop in het dal. Hij doet er $6 \div 120 = 0.05$ uur over, dat is $0.05 \times 60 = 3$ minuten. Drie minuten: niemand kan op tijd het dal uit rennen, of zelfs rijden. Mensen zijn alleen veilig als ze voor de uitbarsting zijn vertrokken.

Opmerking 19.12 (Modderstromen: het gevaar dat later komt)

Een uitbarsting laat de hellingen bedekt met losse as achter. Als er regen op valt, of als de hitte de sneeuw en het ijs van de top doet smelten, verandert de as in modderstromen die door de dalen omlaag razen. Op 18 mei 1980 beschadigden de modderstromen van Mount St. Helens 27 bruggen en bijna 200 woningen. Rond de Pinatubo veranderden de zware regens van de jaren daarna de as in reusachtige modderstromen die hele dorpen begroeven: ze richtten meer schade aan dan de uitbarsting zelf.

19.4 Waar liggen de vulkanen?

De Smithsonian Institution in Washington houdt een lijst bij van alle vulkanen waarvan bekend is dat ze in de laatste 12 000 jaar zijn uitgebarsten: 1 214 in totaal, op het land en onder de zee. Voor elke vulkaan vermeldt de lijst waar hij ligt ten opzichte van de platen. De kaart hieronder kleurt ze op die manier.

Propositie 19.13 (De meeste vulkanen staan op plaatgrenzen)

Van de 1 214 vulkanen die in de laatste 12 000 jaar actief waren, staan er 838 (69 %) waar een plaat onder een andere zakt en 221 (18 %) waar platen uit elkaar bewegen; 149 (12 %) staan binnen een plaat, ver van de randen. Van de laatste 6 (0.5 %) is de ligging onbekend.

Waar platen uit elkaar bewegen. Langs de oceanische ruggen, en in slenken zoals die welke Oost-Afrika uiteenscheurt, trekken de platen van elkaar weg. Magma stijgt uit de mantel op in de wijder wordende spleten en vult ze: er wordt nieuwe aardkorst gemaakt. De meeste ruggen liggen onder de zee, maar IJsland ligt precies op de Midden-Atlantische Rug: daar zijn deze vulkanen op het land te zien. Hun magma is meestal vloeibaar basalt, en hun uitbarstingen zijn meestal effusief.

Waar een plaat onder een andere zakt. Meer dan twee op de drie vulkanen staan hier, langs lijnen die de randen van de Stille Oceaan volgen — de “Ring van Vuur” — en op een paar andere plaatsen. Diep onder de grond, langs de zakkende plaat, smelt een deel van het gesteente gedeeltelijk; wetenschappers discussiëren nog over welk gesteente precies smelt, de zakkende plaat of de plaat erboven, of allebei. Het magma dat daar opstijgt, is vaak stroperig en vol gas: dit zijn de explosieve vulkanen, zoals Mount St. Helens en de Pinatubo. De gegevens laten het zien: van de 660 steile kegels (stratovulkanen) in de lijst staan er 564 — dat is 85 % — waar een plaat onder een andere zakt.

Binnen een plaat. Een paar vulkanen liggen ver van elke plaatgrens. De bekendste zijn die van Hawaï, midden in de Stille Oceaan, meer dan $3200\,\mathrm{km}$ van de dichtstbijzijnde plaatrand.

Definitie 19.14 (Hotspot)

Een hotspot is een plek diep in de mantel die miljoenen jaren heet blijft en vulkanen aan het oppervlak van magma blijft voorzien, zelfs ver van de randen van de platen.

De hotspot blijft waar hij is, terwijl de plaat erboven beweegt. Boven de hotspot groeit een vulkaan; daarna voert de bewegende plaat hem mee en dooft hij uit, terwijl achter hem een nieuwe vulkaan boven de hotspot groeit. Na verloop van tijd draagt de plaat een hele rij vulkanen, met de oudste het verst van de hotspot. Dat is precies wat we op Hawaï zien: de oudste gesteenten van het eiland Kauai, aan het noordwestelijke uiteinde van de bewoonde eilanden, zijn ongeveer 5.5 miljoen jaar oud en diep uitgesleten door regen en golven; op Big Island, aan het zuidoostelijke uiteinde, zijn de oudste gesteenten aan het oppervlak minder dan 0.7 miljoen jaar oud, en komt er nog steeds nieuwe lava naar buiten.

Geschiedenis — Een geofysicus en een rij eilanden

Waarom zou er midden in de grootste plaat op Aarde een keten van vulkanische eilanden oprijzen? In 1963 stelde de Canadese geofysicus J. Tuzo Wilson een antwoord voor. De Hawaïaanse eilanden, opperde hij, liggen op een rij omdat de Pacifische plaat beweegt over een diepe, vaste warmtebron in de mantel, die de plaat erboven gedeeltelijk doet smelten. Als hij gelijk had, moesten de eilanden ouder en meer uitgesleten zijn naarmate ze verder van de actieve vulkanen van Big Island liggen. De ouderdom van hun gesteenten laat precies dat zien. Eén enkel idee verklaarde zowel de rij als de volgorde van de ouderdommen. (Wilson is ook de wetenschapper die de transforme grenzen ontdekte, waar platen langs elkaar schuiven.)

19.5 Leven met vulkanen

Veel mensen wonen in de buurt van vulkanen: in 1991 woonden er ongeveer 3 miljoen in de streek rond de Pinatubo. Gelukkig geeft een grote uitbarsting vaak waarschuwingssignalen. Opstijgend magma duwt het gesteente opzij: de grond scheurt en schudt met kleine aardbevingen, de hellingen zwellen op, er ontsnapt gas. Bij Mount St. Helens kwamen de eerste kleine aardbevingen op 16 maart 1980; tegen 17 mei waren het er meer dan 10 000, en de noordflank was minstens $137\,\mathrm{m}$ naar buiten opgezwollen. Wetenschappers maten dit allemaal en het gebied werd afgesloten; toch kwamen er op 18 mei 57 mensen om.

Bij de Pinatubo gaven in 1991 de wetenschappers die de aardbevingen, het gas en het opzwellen van de vulkaan volgden op tijd de waarschuwing: de mensen die bij de vulkaan woonden vertrokken, en er werden minstens 5 000 levens gered.

Opmerking 19.15 (Ga nooit naar een vulkaan die uitbarst)

Naar een uitbarsting kijken mag alleen op de plekken die de autoriteiten voor het publiek hebben opengesteld. Gassen, vallende stenen, verse lavakorst die onder je voeten breekt en pyroclastische stromen kunnen dodelijk zijn, vaak zonder waarschuwing. Vulkaanobservatoria maken bekend wat veilig te bezoeken is: volg hun aanwijzingen altijd op.

19.6 Oefeningen

Oefening 19.1 ★

Koppel elk woord aan zijn betekenis: magma; lava; magmakamer; eruptieopening; krater. (a) Een komvormige holte op de top van een vulkaan. (b) Gesmolten gesteente onder de grond. (c) Een opening waardoor magma naar buiten komt. (d) Gesmolten gesteente dat aan het oppervlak is gekomen. (e) Een grote holte vol magma een paar kilometer onder een vulkaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.1.

(a) krater; (b) magma; (c) eruptieopening; (d) lava; (e) magmakamer.

Oefening 19.2 ★

Effusief of explosief? (a) Rivieren van gloeiende lava stromen een flauwe helling af. (b) Een askolom stijgt $35\,\mathrm{km}$ de lucht in. (c) Uit een spleet spuit een fontein van gloeiende druppels. (d) Een lawine van hete as en gas raast een dal in.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.2.

(a) Effusief. (b) Explosief. (c) Effusief: een lavafontein werpt gloeiende druppels uit die terugvallen en wegstromen; het magma wordt niet tot as geblazen. (d) Explosief: het is een pyroclastische stroom.

Oefening 19.3 ★

Waar of niet waar? Verbeter de onware uitspraken. (a) Magma en lava zijn twee namen voor hetzelfde gesmolten gesteente, onder de grond en aan het oppervlak. (b) Het meest voorkomende vulkanische gas is koolstofdioxide. (c) Een pyroclastische stroom is een rivier van vloeibare lava. (d) De vulkanen van Hawaï staan op een plaatgrens.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.3.

(a) Waar. (b) Niet waar: het meest voorkomende vulkanische gas is waterdamp; koolstofdioxide komt op de tweede plaats. (c) Niet waar: een pyroclastische stroom is een lawine van heet gas, as en stukken gesteente. (d) Niet waar: ze staan midden in de Pacifische plaat, meer dan 3200 km van de dichtstbijzijnde plaatgrens, boven een hotspot.

Oefening 19.4 ★

Gebruik de tabel van de gloeikleuren. (a) Lava gloeit geel: geef de temperatuur. (b) Een lavastroom die hard wordt, gloeit donkerrood: geef de temperatuur. (c) Een foto toont oranje lava aan het front van een lavastroom en gele lava bij de eruptieopening. Waar is het heter? Waarom?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.4.

(a) Ongeveer 1000 tot 1200 graden. (b) Ongeveer 600 tot 800 graden. (c) Bij de eruptieopening, waar de lava geel is (1000 tot 1200 graden) en niet oranje (800 tot 1000 graden): de lava koelt af terwijl ze van de eruptieopening wegstroomt.

Oefening 19.5 ★★

Gebruik het staafdiagram van de 1 214 vulkanen. (a) Hoeveel vulkanen staan op een plaatgrens (waar platen uit elkaar bewegen, of waar de ene onder de andere zakt)? (b) Welk percentage van alle vulkanen is dat? (c) Controleer dat de drie percentages van de propositie, samen met de 6 vulkanen met een onbekende ligging (0.5 %), ongeveer 100 % opleveren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.5.

(a) $838 + 221 = 1059$ vulkanen. (b) $1059 \div 1214 \approx 0.872$: ongeveer 87 %. (c) $69 + 18 + 12 + 0.5 = 99.5$, ongeveer 100 %: het kleine verschil komt doordat elk percentage is afgerond.

Oefening 19.6 ★★

Van de 660 steile kegels (stratovulkanen) in de lijst staan er 564 waar een plaat onder een andere zakt, 62 waar platen uit elkaar bewegen en 33 binnen een plaat. (a) Bereken het percentage steile kegels dat staat waar een plaat onder een andere zakt. (b) Hoeveel steile kegels blijven er over voor de ligging “onbekend”? (c) Gebruik de vier aanwijzingen: wat voor uitbarstingen verwachten we langs de Ring van Vuur?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.6.

(a) $564 \div 660 \approx 0.855$: ongeveer 85 %. (b) $660 - 564 - 62 - 33 = 1$: één steile kegel. (c) Steile kegels worden opgebouwd door stroperige lava en as, het kenmerk van explosieve uitbarstingen: langs de Ring van Vuur, waar een plaat onder een andere zakt, verwachten we veel explosieve uitbarstingen, zoals die van Mount St. Helens en de Pinatubo.

Oefening 19.7 ★★

Bij de Kilauea verlaat lava de eruptieopening bij ongeveer $1170{}^{\circ}\mathrm{C}$. In een lavatunnel bereikte ze de zee, $10\,\mathrm{km}$ verderop, bij ongeveer $1140{}^{\circ}\mathrm{C}$. (a) Hoeveel graden is ze afgekoeld? (b) Hoeveel graden is dat per kilometer? (c) Lava in de open lucht koelt aan het oppervlak honderden graden per seconde af. Leg uit waarom de lava in de tunnel zo heet bleef.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.7.

(a) $1170 - 1140 = 30$ graden. (b) $30 \div 10 = 3$ graden per kilometer. (c) In de tunnel raakt de lava de lucht niet: het verharde dak erboven houdt de warmte vast, zoals het deksel van een pan. In de open lucht verliest het oppervlak meteen warmte aan de lucht.

Oefening 19.8 ★★

De oudste gesteenten van Kauai zijn ongeveer 5.5 miljoen jaar oud; die van Big Island minder dan 0.7 miljoen jaar. (a) Welk eiland is ouder? Met minstens hoeveel miljoen jaar? (b) Welk eiland is meer uitgesleten? Waarom? (c) Welk eiland ligt vandaag boven de hotspot? (d) Kauai ligt ten noordwesten van Big Island. In welke richting voert de Pacifische plaat de eilanden mee?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.8.

(a) Kauai, met minstens $5.5 - 0.7 = 4.8$ miljoen jaar. (b) Kauai: regen en golven slijten het al veel langer uit. (c) Big Island, waar nog steeds nieuwe lava naar buiten komt. (d) Naar het noordwesten: Kauai, dat als eerste van de hotspot werd weggevoerd, ligt er nu ten noordwesten van.

Oefening 19.9 ★★

De Hawaïaanse eilanden liggen meer dan $3200\,\mathrm{km}$ van de dichtstbijzijnde plaatgrens. (a) Waarom is dat verrassend voor vulkanen? (b) Leg in drie of vier zinnen uit waar hun magma vandaan komt. (c) Welke kleur hebben ze op de kaart van de vulkanen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.9.

(a) Bijna alle vulkanen staan op plaatgrenzen (87 % in de lijst): vulkanen die zo ver van elke plaatgrens liggen, zijn een uitzondering. (b) Diep in de mantel onder Hawaï blijft een hotspot miljoenen jaren heet. Die doet het gesteente erboven gedeeltelijk smelten. Het magma, lichter dan het vaste gesteente eromheen, stijgt op door de plaat en barst uit. Terwijl de plaat beweegt, groeien er nieuwe vulkanen boven de hotspot en worden de oude meegevoerd. (c) Oranje stippen (“binnen een plaat”).

Oefening 19.10 ★★

In juni 1991 sijpelde het eerste magma van de Pinatubo rustig naar buiten; drie dagen later explodeerde ander magma. Leg het verschil uit met behulp van de twee flessen bruisend water. Welk van de twee magma’s had zijn gas onderweg naar boven verloren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.10.

Het eerste magma had op weg naar boven het grootste deel van zijn gas verloren, zoals een fles bruisend water die open of stil heeft gestaan: toen het aan het oppervlak kwam, was er niets meer over om het uiteen te blazen, en het sijpelde naar buiten. Het magma van 12 en 15 juni hield zijn gas nog vast, zoals de geschudde fles: toen de druk dicht bij het oppervlak daalde, vormde het gas in één keer bellen, die opzwollen en het stroperige magma tot as verscheurden. Het eerste magma is het magma dat zijn gas had verloren.

Oefening 19.11 ★★★

Een dorp ligt $10\,\mathrm{km}$ van een vulkaan, verderop in een dal. (a) Een pyroclastische stroom beweegt met $80\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$. Hoeveel minuten zou hij nodig hebben om het dorp te bereiken? (b) Dezelfde vraag bij $130\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$. (c) Een gezin heeft 20 minuten nodig om met de auto te vertrekken. Leg uit waarom de waarschuwing moet komen voordat de uitbarsting begint, en niet pas als de stroom te zien is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.11.

(a) $10 \div 80 = 0.125$ uur, en $0.125 \times 60 = 7.5$ minuten. (b) $10 \div 130 \approx 0.077$ uur, ongeveer $0.077 \times 60 \approx 4.6$ minuten, dus ongeveer 5 minuten. (c) Het gezin heeft 20 minuten nodig, maar de stroom komt na 5 tot 8 minuten aan: als de stroom te zien is, is het te laat. Het gezin kan alleen veilig zijn als het vertrekt zodra de wetenschappers de waarschuwingssignalen zien, vóór de uitbarsting.

Oefening 19.12 ★★★

De as van Mount St. Helens ging in 15 dagen één keer rond de hele Aarde. Eén breedtegraad is ongeveer $111\,\mathrm{km}$ en een volledige cirkel is 360 graden. (a) Hoe lang is ongeveer een volledige ronde om de Aarde, in kilometer? Rond af op het dichtstbijzijnde duizendtal. (b) Hoeveel kilometer legde de as gemiddeld per dag af? (c) Hoeveel kilometer per uur is dat? (d) Wordt de as door de wind meegevoerd of door zijn eigen snelheid? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.12.

(a) $111 \times 360 = 39\,960$: ongeveer 40 000 km. (b) $40\,000 \div 15 \approx 2667$: ongeveer 2 670 km per dag. (c) $2667 \div 24 \approx 111$: ongeveer 110 km per uur. (d) Door de wind: de fijne as heeft geen eigen snelheid meer zodra de uitbarsting haar omhoog heeft geworpen; ze zweeft hoog in de lucht en de wind voert haar mee, terwijl ze langzaam daalt.

19.7 Probleem: De dag dat de berg zijn top verloor

Probleem 19.1

Weekendprobleem — de waarschuwingssignalen van Mount St. Helens, de uitbarsting van 18 mei 1980, en hoeveel van de berg verdwenen was

Mount St. Helens staat in het noordwesten van de Verenigde Staten. Gebruik de foto’s aan het begin van het hoofdstuk, de kaart van de vulkanen en de getallen hieronder, gemeten door de U.S. Geological Survey.

Deel I — Voor de uitbarsting.

1. De eerste kleine aardbevingen kwamen op 16 maart 1980; de grote uitbarsting op 18 mei. Hoeveel dagen zaten er tussen die twee? (Maart heeft 31 dagen, april 30.)
2. Tegen 17 mei waren er meer dan 10 000 aardbevingen geregistreerd, in de 62 dagen sinds 16 maart. Hoeveel is dat ongeveer per dag, gemiddeld?
3. De noordflank van de berg zwol minstens $137\,\mathrm{m}$ naar buiten op. Leg uit waarom dat opzwellen de wetenschappers verontrustte.
4. Op de kaart van de vulkanen is Mount St. Helens een blauw driehoekje. Wat zegt dat over zijn ligging? Welk soort uitbarsting verwacht je, en welke vorm van vulkaan?

Deel II — 18 mei 1980.

5. Om 8.32 uur zette een kleine aardbeving de opgezwollen flank in beweging. De aardverschuiving bereikte snelheden tot $240\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$. Hoeveel kilometer is dat per minuut?
6. De aardverschuiving legde het magma bloot, zoals een kurk die uit een geschudde fles wordt getrokken. Leg uit waarom de vulkaan daarna zijwaarts explodeerde.
7. De zijwaartse explosie raasde met minstens $480\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$ voort en kwam tot $27\,\mathrm{km}$ van de vulkaan. Hoeveel minuten deed ze er bij die snelheid hoogstens over om daar te komen?
8. De pyroclastische stromen bereikten snelheden tot $130\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$ en kwamen tot $8\,\mathrm{km}$ van de krater. Hoeveel minuten deden ze er bij die snelheid over? Rond af op een hele minuut.

Deel III — Daarna.

9. De askolom bereikte in minder dan 15 minuten een hoogte van ongeveer $24\,\mathrm{km}$. Hoeveel keer hoger dan de Mount Everest ($8.8\,\mathrm{km}$) is dat? Rond af op één decimaal.
10. Tussen 1980 en 1986 sijpelde stroperige lava naar buiten in de krater en bouwde ze een heuvel van $267\,\mathrm{m}$ hoog boven de eruptieopening op. Waren deze uitbarstingen effusief of explosief? Aan welke fles bruisend water doen ze je denken?
11. Bekijk de twee foto’s van de vulkaan. Beschrijf in twee zinnen wat er veranderd is.
12. Voor de uitbarsting lag de top $2950\,\mathrm{m}$ boven zeeniveau; daarna was het hoogste punt $2549\,\mathrm{m}$. Hoeveel meter hoogte verloor de berg?

Oplossing

Oplossing van Probleem 19.1.

1. Van 16 tot 31 maart: $31 - 16 = 15$ dagen; dan 30 dagen in april en 18 dagen in mei: $15 + 30 + 18 = 63$ dagen.

2. $10\,000 \div 62 \approx 161$: gemiddeld meer dan 160 kleine aardbevingen per dag.

3. Het opzwellen liet zien dat magma hoog in de berg was opgestegen en het gesteente naar buiten duwde. Het maakte de noordflank ook steil en instabiel, klaar om weg te glijden.

4. Een blauw driehoekje staat waar een plaat onder een andere zakt. We verwachten stroperig, gasrijk magma, explosieve uitbarstingen en een steile kegel (een stratovulkaan) — precies wat de eerste foto laat zien.

5. $240 \div 60 = 4$ kilometer per minuut.

6. De opgezwollen flank hield het magma onder druk binnen, zoals de dop van een fles. Toen die weggleed, daalde de druk in één keer; het gas dat in het magma was opgelost, vormde in één keer bellen en barstte naar buiten door de open flank — zijwaarts, waar het deksel verdwenen was.

7. $27 \div 480 \approx 0.056$ uur, en $0.056 \times 60 \approx 3.4$ minuten. Omdat de explosie minstens zo snel ging, deed ze er hoogstens ongeveer 3.4 minuten over.

8. $8 \div 130 \approx 0.062$ uur, en $0.062 \times 60 \approx 3.7$: ongeveer 4 minuten.

9. $24 \div 8.8 \approx 2.7$: de kolom steeg ongeveer 2.7 keer hoger dan de Mount Everest.

10. Effusief: de stroperige lava kwam naar buiten zonder te exploderen en stapelde zich op boven de eruptieopening. Net als de fles die stil had gestaan, had dit magma het grootste deel van zijn gas al verloren.

11. Voor de uitbarsting was de berg een gladde, puntige kegel bedekt met sneeuw, boven groene bossen. Daarna zijn de top en de noordflank verdwenen: een enorme krater die naar ons toe openstaat, heeft hun plaats ingenomen, en de hellingen en het dal ervoor zijn grijs van as en brokken gesteente.

12. $2950 - 2549 = 401$: de berg verloor ongeveer 401 m hoogte, ongeveer 400 meter, zoals in jaar 4 al werd verteld.