Fumarole | MagmaWorld

Eine Fumarole ist ein Schlot in der Erdoberfläche, der kontinuierlich Dampf und vulkanische Gase ausstößt. Der Begriff leitet sich vom lateinischen Wort fumus ab, was „Rauch” bedeutet. Fumarolen sind eng mit anderen hydrothermalen Erscheinungen wie heißen Quellen und Geysiren verwandt, aber im Gegensatz zu diesen fehlt Fumarolen flüssiges Wasser an der Oberfläche – das Wasser verdampft, bevor es austritt, was zu charakteristischen Dampffahnen führt.

Fumarolen finden sich an aktiven Vulkanen, in Caldera-Systemen, entlang von Bruchzonen und sogar am Meeresboden (Hydrothermale Schlote). Sie sind nicht nur faszinierende geologische Erscheinungen, sondern auch wertvolle Messinstrumente für die Vulkanüberwachung und Hotspots für einzigartiges Leben.

Wie sie funktionieren: Die Physik

Fumarolen entstehen dort, wo flaches Magma oder noch heißes magmatisches Gestein knapp unter der Erdoberfläche liegt. Das Zusammenspiel von Grundwasser und vulkanischer Wärme treibt das System an:

Grundwassereintritt: Regenwasser und Grundwasser sickern durch Risse und Klüfte im Gestein nach unten in Richtung der Wärmequelle.
Erhitzung: Das Wasser trifft auf heißes Gestein oder Magmareservoirs und wird rasch über den normalen Siedepunkt erhitzt. Aufgrund des erhöhten Drucks im Untergrund bleibt es zunächst flüssig.
Gasmischung: Gleichzeitig entgasen tiefere Magmaschichten – Gase wie Wasserdampf, CO₂, SO₂ und H₂S steigen durch das Gestein auf und mischen sich mit dem erhitzten Grundwasser.
Emission: Wenn der überhitzte Dampf-Gas-Mix die Oberfläche erreicht, expandiert er schlagartig. Der hydrostatische Druck fällt ab, das Wasser verdampft sofort, und der Gasstrahl tritt als Fumarole aus.

Die Temperatur von Fumarolen variiert stark: von kaum über 100 °C bis hin zu über 900 °C bei sogenannten Hochtemperaturfumarolen in direkter Nähe aktiver Lava. Niedertemperaturfumarolen befinden sich typischerweise in ruhenden Vulkangebieten, wo das Magma bereits tief unterhalb der Oberfläche erstarrt ist, aber noch ausreichend Wärme abstrahlt.

Chemische Zusammensetzung

Während Wasserdampf typischerweise 90 % oder mehr der Emission ausmacht, enthält der Rest eine komplexe Mischung starker vulkanischer Gase:

Kohlendioxid (CO₂): Farblos und geruchlos, aber in hohen Konzentrationen gefährlich. Da CO₂ schwerer als Luft ist, kann es sich in Mulden und Tälern ansammeln und zu erstickenden Todesfallen werden – wie tragisch im Nyos-Seegasausbruch (Kamerun, 1986) demonstriert, der 1.700 Menschen das Leben kostete.
Schwefeldioxid (SO₂): Verantwortlich für den stechenden, beißenden Geruch. In höheren Konzentrationen verursacht es Atemwegsprobleme und greift Lungen, Augen und Schleimhäute an.
Schwefelwasserstoff (H₂S): Das Gas, das für den charakteristischen Geruch nach „faulen Eiern” verantwortlich ist. Es ist bei hohen Konzentrationen extrem giftig und betäubt den Geruchsinn – was dazu führt, dass Menschen gefährliche Konzentrationen nicht mehr wahrnehmen.
Chlorwasserstoff (HCl) und Fluorwasserstoff (HF): Hochkorrosive Säuregase, die Metall angreifen, elektrische Leitungen beschädigen und die Zähne von Tieren und Menschen in der Umgebung von Fumarolenfeldern angreifen können.
Schwefel (elementar): Wird oft direkt als gelber Feststoff kondensiert und abgelagert.

Mineralablagerung: Farbpaletten aus der Erde

Die von Fumarolen emittierten Gase sind reich an gelösten Mineralien. Wenn die heißen Gase austreten und bei Kontakt mit der kühleren Außenluft abkühlen, fallen diese Mineralien aus und bilden farbenfrohe Krusten rund um den Schlot:

Gediegener Schwefel: Hellgelbe bis leuchtend orangefarbene Schwefelkristalle sind die häufigste und markanteste Ablagerung.
Sulfate: Mineralien wie Gips (weiß), Alunit (weiß bis rötlich) und Jarosit (gelbbraun) bilden bunte Krusten.
Halitkrusten: Aus Chlorwasserstoff entstehen Natriumchloridablagerungen (Steinsalz).
Siliziumdioxid-Ablagerungen: In kühleren Randbereichen kann sich amorpher Opal oder Chalzedon absetzen.

Dieser Prozess der Gesteinsumwandlung durch saure Gase wird als fumarolische Alteration bezeichnet. Er kann hartes Vulkangestein vollständig in weiches, buntes, tonähnliches Material (Kaolinit, Alunit) umwandeln – die bunten, weißen Flächen in Fumarolenfeldern wie der Solfatara di Pozzuoli sind das sichtbare Ergebnis dieses Prozesses, der seit Jahrtausenden andauert.

Solfataren und Mofetten

Geologen unterscheiden mehrere Typen von Fumarolen nach ihrer dominanten Chemie:

Solfatare: Fumarolen, die vorwiegend schwefelhaltige Gase (SO₂ und H₂S) ausstoßen. Ihr Name leitet sich von der Solfatara bei Pozzuoli in der Campi-Flegrei-Caldera südlich von Neapel ab – einem der bekanntesten und zugänglichsten Fumarolenfelder der Welt. Die Solfatara ist seit mindestens 2.000 Jahren bekannt und wurde von Dichtern, Wissenschaftlern und Abenteurern besucht.
Mofetten: Fumarolen, die hauptsächlich Kohlendioxid (CO₂) ausstoßen. Sie finden sich oft in ruhenden Vulkangebieten, wo das Magma weitgehend abgekühlt ist, aber noch CO₂ aus dem Untergrund aufsteigt. In Deutschland sind Mofetten im Laacher-See-Gebiet in der Eifel bekannt, wo CO₂ aus einem schlafenden vulkanischen System aufsteigt und am Seeboden perlt.
Hochtemperaturfumarolen: An aktiven Lavafeldern oder frischen Kraterrändern können Fumarolen über 900 °C heiß sein. Bei solchen Temperaturen dominieren HCl, SO₂ und metallreiche Gase die Emission.

Fumarolen als Überwachungsinstrumente

Fumarolen sind für Vulkanologen unersetzliche Informationsquellen, da sie direkten Zugang zur Chemie des unterirdischen Magmasystems bieten:

Temperaturänderungen: Ein plötzlicher Anstieg der Fumarolentemperatur – besonders über 200 °C – kann darauf hinweisen, dass frisches, heißes Magma aufsteigt.
Chemische Veränderungen: Eine Zunahme des SO₂-Anteils im Verhältnis zu CO₂ und H₂S signalisiert oft eine neue Magmaintrusion, da SO₂ bevorzugt aus frischem, gasreichem Magma entweicht.
Ausflussrate: Steigende Emissionsmengen deuten auf erhöhten Untergrundgasdruck hin.
DOAS-Messungen: Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie erlaubt es, SO₂-Flüsse aus sicherer Entfernung per Spektrometer zu messen und so kontinuierlich die vulkanische Gasaktivität zu überwachen.

Das Observatorio Vulcanológico del INGEMMET in Peru setzt diese Methoden an allen aktiven Vulkanen des Landes ein. Am Taal-Vulkan auf den Philippinen wurden veränderte Fumarolentemperaturen und -gasgehalte genutzt, um den gefährlichen Ausbruch von Januar 2020 vorherzusagen.

Wirtschaftliche und ökologische Bedeutung

Geothermische Energie: Fumarolenfelder sind primäre Ziele für Geothermiekraftwerke. In The Geysers in Nordkalifornien (USA) – trotz des Namens eigentlich ein Fumarolenfeld – wird seit 1960 Dampf zur Stromerzeugung genutzt. Es ist das größte geothermische Kraftwerk der Welt und erzeugt genug Strom für etwa eine Million Haushalte.
Schwefelabbau: Historisch wurden Fumarolenfelder intensiv zum Abbau von elementarem Schwefel genutzt. Auf dem Poás (Costa Rica), dem Aso (Japan) und in den Anden existierten jahrzehntelang Bergbauoperationen, bei denen Arbeiter unter extremen Bedingungen Schwefel abbauten.
Extremophile Mikroorganismen: Die heiße, saure Umgebung um Fumarolen beherbergt einzigartige mikrobielle Lebensformen – Extremophile –, die bei Temperaturen jenseits des normalen Siedepunkts gedeihen. Diese Archaeen und thermophilen Bakterien liefern wertvolle Einblicke in die Grenzen des Lebens auf der Erde und auf anderen Planeten. Das Enzym Taq-Polymerase, unverzichtbar für die PCR-Technologie (Grundlage aller modernen Gentests und der Corona-Diagnostik), wurde aus dem thermophilen Bakterium Thermus aquaticus gewonnen, das in heißen Quellen nahe Fumarolen entdeckt wurde.

Fumarolen auf anderen Himmelskörpern

Fumarolische Aktivität ist nicht auf die Erde beschränkt. Auf dem Jupitermond Io – dem vulkanisch aktivsten Körper des Sonnensystems – wurden durch Sonden ausgedehnte Schwefelablagerungen dokumentiert, die den Fumarolenfeldern der Erde verblüffend ähneln. Auf dem Enceladus (Saturn) sprühen gasreiche Fontänen aus Wasserdampf und organischen Verbindungen aus dem Untereis – ein Hinweis auf hydrothermale Aktivität in einem unterirdischen Ozean, die konzeptuell den Fumarolen am Meeresboden ähnelt.