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Viskosität von Magmen

Als Magma bezeichnet man Gesteinsschmelzen, die sich im Erdinneren befinden. Treten Gesteinsschmelzen beispielweise bei einem Vulkanausbruch aus, werden diese, sobald sie an der Oberfläche ausgetreten sind, als Lava bezeichnet.

Blick in die Kraterterrasse des Stromboli, September 2013.
Blick in die Kraterterrasse des Stromboli, September 2013.
Blick in den Krater des Vulkans Vulcano, August 2013.
Blick in den Krater des Vulkans Vulcano, August 2013.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen der Gesteinsschmelze im Inneren der Erde und der ausgetretenen Schmelze liegt darin, dass im Magma noch viele Gase gelöst sind, die beim Aufstieg entweichen und so in der Lava nicht mehr zu finden sind. Eine weitere wesentliche physikalische Eigenschaft der Schmelzen, die große Auswirkungen auf das Ausbruchsverhalten der Vulkane hat, ist die Viskosität der Schmelze.  

Viskosität und der Anteil flüchtiger Gase von Magmen variieren mit der Lage des Vulkans aufgrund von

  • unterschiedlichen Aufstiegswegen,
  • unterschiedlichen Verweildauern im Untergrund und
  • unterschiedlichen Differentiationsprozessen.

In diesem Versuch wird den Schülern der Einfluss der Viskosität auf das Ausbruchsverhalten eines Vulkans in anschaulicher Weise vermittelt.

Ein niederviskoser Lavastrom (im Bild unten, sehr glattes Gestein) wurde von einer hochviskosen Schmelze überflossen, Aufnahme vom Vulkan Stromboli, 2013.

 

Ein niederviskoser Lavastrom (im Bild unten, sehr glattes Gestein) wurde von einer hochviskosen Schmelze überflossen, Aufnahme vom Vulkan Stromboli, 2013.

       

Vulkanmodell (erster Teilversuch):

 

Versuchsaufbau beim Vulkanmodell

 

Versuchsaufbau beim Vulkanmodell.

Das Modell besteht aus einem Einmachglas und einem Trichter, der auf dem Einmachglas steht, wobei der Trichterhals nach oben zeigt. Im Einmachglas wird eine Reaktion zwischen Backpulver und Essig ausgelöst. Zunächst wird niederviskose Schmelze simuliert, die den Schlot nicht verstopft. Deshalb bleibt die Öffnung am Trichterhals zunächst offen und die Backpulver-Essig-Mischung tritt ähnlich wie bei effusivem Vulkanismus gleichmäßig aus dem Tichter (respektive Vulkanschlot) aus und überflutet große Teile der Umgebung.

 

Simulation von effusivem Austritt von Schmelze an einem Vulkan

 

Simulation von effusivem Austritt von Schmelze an einem Vulkan.

 

Anschließend wird hochviskose Schmelze simuliert, die dazu neigt, den Vulkanschlot zu verstopfen. Deshalb wird nun der Trichterhals des Modells mit Knete verschlossen. Hat sich nach einiger Zeit aufgrund der Reaktion zwischen Backpulver und Essig genug Druck aufgebaut, wird der Knetpfropfen explosionsartig aus dem Trichterhals geschossen.

 

Verschließen des Trichterhalses mit Knete.

 

Verschließen des Trichterhalses mit Knete.
Explosiver Austritt des Gemischs, Simulation einer explosiven Eruption an einem Vulkan.

 

Explosiver Austritt des Gemischs, Simulation einer explosiven Eruption an einem Vulkan.

 

         

Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten (zweiter Teilversuch):

 

Im zweiten Teilversuch geht es etwas weniger spielerisch, sondern wissenschaftlicher zu. Hier wird die Viskosität verschiedener Flüssigkeiten (Seife, Öl, destilliertes Wasser) mit einem Kugelfallviskosimeter nach Höppler bestimmt. Die Schülerinnen und Schüler messen die Fallzeit einer Kugel, deren Dichte sie vorher bestimmt haben, und berechnen daraus unter Berücksichtigung der Fallstrecke die Viskosität der Flüssigkeiten.

 

Konzentriertes Beobachten bei der Messung der Viskosität einer Flüssigkeit
Konzentriertes Beobachten bei der Messung der Viskosität einer Flüssigkeit.

 

Der Versuch gibt den Schülerinnen und Schülern nicht nur einen Einblick in die Vulkanologie, er zeigt ihnen auch Zusammenhänge zwischen verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen auf.

  • Aus der Physik: Bedeutung der Druckverhältnisse für explosives Eruptionsverhalten.
  • Aus der Chemie: Bedeutung der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen der Schmelzen.
  • Aus der Geographie: Bedeutung der Lage der Vulkane für den Aufstiegsweg des Magmas und das Eruptionsverhalten.

 

Somit eignet sich dieser Versuch sowohl für Physik- und Geographiekurse als auch für andere Kurse aus dem naturwissenschaftlichen Bereich (zum Beispiel NwT-Kurse) der gymnasialen Mittel- und Oberstufe.

 

Für diesen Versuch stehen Lehrmaterialien zur Vorbereitung in der Schule zur Verfügung, die Sie auf Anfrage im Vorfeld erhalten können. Für die Vorbereitung in der Schule werden etwa zwei bis drei Zeitstunden empfohlen.

 

Wenn Sie Interesse an der Versuchsdurchführung und den Unterrichtsmaterialien haben, wenden Sie sich bitte an Frau Dr. Ellen Gottschämmer (E-Mail  oder 0721/608-44594).