de warmtehuishouding is een belangrijke parameter voor de geologische lifestyle van een planeet. de processen in de aarde vormen het referentatiekader voor planetaire geologie. onderzoek naar de vulkanische activiteit geeft de meest directe informatie over de geologische lifestyle van andere planeten. in Worlds on Fire brengt charles frankel een spannende synthese van het ruimteonderzoek naar vulkanisme.
Vulkanisme en de ‘lifestyle’ van planeten en satellieten
Vulkanisme werd een moderne wetenschap toen men op het einde van de achttiende eeuw vulkanen ging zien als thermische veiligheidsventielen van een intern oververhitte aarde. De westerse beschaving deed er ruim 23 eeuwen over om tot die conclusie te komen. De oudste westerse natuurfilosofische verklaring van vulkanen gaat terug op de Griekse filosoof Anaxagoras (vijfde eeuw B.C.). Hij schreef vulkaanuitbarstingen toe aan smelting van de aardkorst door hevige winden in het binnenste van de aarde. Dit idee werd overgenomen door Aristoteles en bleef lang gemeengoed. Seneca zag vulkanen eerder als grote onderaardse ovens gevoed door ontbrande steenkoollagen en afzettingen van bitumen en zwavel. Zijn visie werd zeker beïnvloed door de ononderbroken activiteit van de Stromboli – de ‘vuurtoren van de Middellandse Zee’ – en door het opstijgen van een nieuw vulkanisch eilandje uit de zee in het centrum van de oude krater van Santorini. Zo ontstond het beeld van ‘vuurspuwende bergen’ en van ‘vuur dat ook de zee niet kan blussen’, zelfs nadat duidelijk werd dat ‘vuur’ slechts een accidenteel randverschijnsel van vulkanen is. Seneca’s verklaring hield stand doorheen de middeleeuwen tot aan het begin van de moderne tijd en werd op magistrale wijze uitgewerkt door Athanasius Kircher in zijn Mundus Subterraneous (1664). In de tweede helft van de zeventiende eeuw stond vulkanisme in het centrum van de intellectuele belangstelling wegens spectaculaire uitbarstingen van de Vesuvius in 1631 en van de Etna in 1669. Vanuit de astronomie kwam een nieuwe opvatting aanwaaien, die verdedigd werd door René Descartes en later door Immanuel Kant. De aarde werd beschouwd als een ‘afkoelende ster’ en vulkanisme was een manifestatie van de ‘primordiale restwarmte’ die nog steeds een deel van het inwendige van de aarde in vloeibare toestand hield. Over de bron van die warmte werd tijdens de negentiende eeuw getwist, omdat de vermaarde Engelse chemicus Humphry Davy een theorie verdedigde van warmtegeneratie door exotherme chemische reacties. De ontdekking van radioactiviteit op het einde van de negentiende eeuw zou uitwijzen dat de warmte in het inwendige van de aarde grotendeels gegenereerd wordt door het verval van langlevende natuurlijke radio-isotopen van kalium, uraan en thorium. De natuur houdt steeds verrassingen in petto, zoals de ontdekking van vulkanisme op Jupiters maan Io zou uitwijzen.
In het inwendige van de aarde wordt meer warmte geproduceerd dan de planeet aan de oppervlakte kan uitstralen
Het convectief opstijgen van heet gesmolten materiaal verschaft de aarde een mechanisme van warmtetransport dat enkele orden van grootte sneller en efficiënter is dan warmteconductie. Het gesmolten mantelmateriaal stijgt occasioneel op als een reusachtige paddestoel (een mantelpluim) en creëert aan het aardoppervlak een hotspot met een hoge productie van vulkanisch materiaal. De hotspots van IJsland en de Afar-Driehoek (Ethiopië) zijn actuele voorbeelden. Zonder convectief materiaaltransport zou ook de ‘platentektoniek’ en het uiteendrijven van de continenten op aarde niet mogelijk zijn. In het platentektoniekregime vormt opstijgend basaltisch vulkanisch materiaal een nieuwe oceaankorst aan de langgerekte middenoceanische ruggen. ‘Subductie’ van oude oceaanbodem onder een lichtere continentale korstplaat zorgt voor een compenserende, neerwaartse materiaalstroom. Hier duikt een tweede belangrijke eigenschap van de aarde op: de grote hoeveelheid water gebonden aan mineralen van de sedimentaire en vulkanische gesteenten van de gesubducteerde oceaanplaat. Bij opwarming op grotere diepte komt dit water vrij en veroorzaakt een drastische verlaging van het smeltpunt van het aardmantelmateriaal dat boven de subductiezone gelegen is. Het opstijgende magma vormt parallel met die subductiezones lineaire ketens van vulkanen, die vaak explosief van aard zijn omdat het opgeloste water dicht bij het aardoppervlak wordt vrijgesteld als een zeer hete stoom onder hoge druk. Andere lineaire vulkaanketens zoals Hawaï worden gevormd door tektonische platen die over hotspots schuiven. Middenoceanische ruggen en lineaire vulkaanketens zijn de duidelijkste, grootschalige morfologische uitdrukking van een plaattektonische lifestyle.
Hoe is het gesteld met de geologische lifestyle van andere hemellichamen? Die vraag rees vrijwel onmiddellijk na de uitvinding van de telescoop rond 1600. In 1610 beschreef Galileo de maankraters en ontdekte de vier grote manen van Jupiter. De ‘hemellichamen’ werden nu ‘nieuwe werelden’ genoemd. De grote denkers speculeerden over de geologische aard, de aanwezigheid van biologische activiteit en zelfs van intelligente wezens op die ‘werelden’ en – uiteraard voorzichtig – over de theologische consequenties hiervan. Christiaan Huygens verdedigde de stelling dat men die ‘werelden’ moest bestuderen om de natuur in zijn volheid te begrijpen. In voorstudies (ca. 1690) van zijn postuum uitgegeven werk Cosmotheoros schrijft hij: ‘Laten we opstijgen vanaf onze alledaagse Aarde en laat ons dan nagaan of de Natuur al haar rijkdom en tooi heeft uitgespreid over deze onooglijke stofklonter. Zoals reizigers naar verre landen, zullen we beter in staat zijn te beoordelen wat het thuisland te bieden heeft en wat zijn beperkingen zijn, en zullen we leren de dingen beter op hun echte waarde te schatten.’ Het duurde bijna drie eeuwen voor die droom verwezenlijkt werd door de ruimtevaartprogramma’s.
Het onderzoek van de stijl, geologische ouderdom en duur van het vulkanisme was steeds een van de belangrijkste geologische objectieven van de ruimtevaartprogramma’s. Vulkanische activiteit zou de meest directe informatie over de geologische ‘lifestyle’ van het hemellichaam geven en ook een antwoord op de vraag hoelang het lichaam ‘geologisch actief’ was of nog steeds is. De resultaten van het ruimteonderzoek van het vulkanisme werden samengevat in Worlds on Fire: Volcanoes on the Earth, the Moon, Mars, Venus and Io van Charles Frankel. Hij is een professioneel geschoold ‘planetair geoloog’, die zijn activiteiten vooral toespitst op de popularisering van wetenschappelijke informatie. Toch vergt zijn boek heel wat geologische voorkennis, interesse en inspanning van de lezer. Het is een geslaagde synthese van een grote hoeveelheid gegevens en complexe interpretaties, overvloedig geïllustreerd met fotografisch materiaal. Bovendien geeft het een volledig overzicht van een grote reeks ruimtemissies, waarvan er vele zelden ruime aandacht in de media kregen. Elk van de vijf delen – Aarde, Maan, Mars, Venus en Jupiters maan Io – begint met een beschrijving van de aard van het vulkanisme en wordt afgesloten met een ‘voyage imaginaire’, waarin de lezer meegenomen wordt op een ‘geologische excursie’ naar enkele typische vulkanische formaties. Op Venus is dit een ballontocht in onvervalste Jules Vernestijl.
De talloze kraters op de maan werden tot aan het einde van de negentiende eeuw vrijwel algemeen geïnterpreteerd als vulkaankegels. Na de ontdekking van de ‘Canyon Diablo’-meteorietkrater in Arizona werd duidelijk dat ook de maankraters grotendeels inslagkraters waren. Veruit de belangrijkste vulkanische formaties op de maan zijn de basaltische lavastromen die de ‘maria’, de donkere vlekken, opvullen. Hun totale dikte kan oplopen tot acht kilometer. Vóór het onderzoek van de Apollo-maanmonsters werd aangenomen dat die basalten uitvloeiden als rechtstreeks gevolg van de gigantische meteorietinslagen die deze circulaire bekkens op de maan vormden. Absolute dateringen van de lavastromen toonden aan dat de vulkanische activiteit in een gegeven ‘mare’ een periode van enkele honderden miljoen jaar kan bestrijken. De grote meteorietinslagen produceerden vooral de diepe breukzones die het opstijgen van magma uit de diepere delen van de maan vergemakkelijkten. De meest opvallende vulkanische structuren op de maan zijn de ‘sinuous rilles’, zoals de Hadley Rille waarnaast Apollo 15 landde. Het zijn meanderende, lavakanalen met een lengte van een honderdtal km, circa 1 km breed en 300 à 500 m diep. Het zijn overblijfselen van ingestorte ‘lavatunnels’ of van lavakanalen die werden uitgegraven in de lavavlakte door massale turbulente lavastromen. Het meest markante aspect van de maan is echter de afwezigheid van grote, individuele vulkaankegels. Dit is vooral te wijten aan de watervrije samenstelling en het hoge ijzer- en titaangehalte van de basaltlava’s. Hierdoor hebben de lava’s een hoog smeltpunt en zeer lage viscositeit (een zeer grote vloeibaarheid) en gaat er geen vulkanische warmte verloren door omvorming van water in stoom. De silicaatsmelten vormen grote lavavlaktes, die gevoed worden door erupties langs grote breukspleten in het maanoppervlak.
Het is weinig bekend dat het maanonderzoek niet eindigde met Apollo 17 in december 1972. Het onbemande ruimtetuig Lunar Prospector verzamelde vanuit een baan rond de maan in 1998 en 1999 vele gegevens over zijn chemische samenstelling, magneetveld en gravitatieveld. Een belangrijk resultaat was de ontdekking van grote lichamen gestold lava die net niet de oppervlakte van de maan hadden bereikt. Aanvankelijk dacht men dat vulkanische activiteit op de maan ongeveer 3.2 miljard geleden stopte. Momenteel wordt niet uitgesloten dat vulkanisme op geringe schaal nog duurde tot circa 2 miljard geleden. Sindsdien is de maan een ‘geologisch dood’ hemellichaam. De initiële energie werd door een turbulente lifestyle op jeugdige leeftijd opgebruikt. Een variant van de platentektoniek was er blijkbaar nooit operationeel. Het vulkanisme was een ‘hotspottype’ gestuurd door meteorietinslagen.
‘Mons Olympus’ werd de grootste gekende vulkaan in het zonnestelsel
Vergeleken met de maan was de verkenning van Mars een ‘study in contrasts’. Vóór de periode van de ruimtevaart was er over die kleinere planeet vrij weinig geweten omdat zelfs de krachtigste telescopen slechts beelden met beperkte afstandsresolutie opleverden. De beelden in 1971 geleverd door Mariner 9, het eerste ruimtetuig in een baan rondom Mars, toonden een onvermoed vulkanisch spektakel. ‘Mons Olympus’ werd de grootste gekende vulkaan in het zonnestelsel. De basis heeft een doorsnede van 600 km, de top bereikt een hoogte van 22 km en heeft een krater met een diameter van 80 km waarvan de rand enkele kilometers boven de lavagevulde bodem uitsteekt. En dit was niet de enige reus. Lavastromen legden afstanden af van 1000 km en meer. Op aarde is dit zelden meer dan 100 km. Planetaire vulkanologen moesten nieuwe termen bedenken om de structuren te beschrijven, zoals paterae (‘omgekeerde soepborden’) en tholi (‘heuvels met steile randen’), en nieuwe namen kiezen uit diverse godenwerelden en -mythologieën. De opbouw van zulke reuzenvulkanen gebeurde over een tijdsperiode van vele tientallen miljoen jaar. Uit chemische analysen uitgevoerd door de ruimtetuigen Viking (1976), Mars Pathfinder/Sojourner (1997), Mars Global Surveyer (1997), Spirit en Opportunity (2003) bleek dat het vulkanische materiaal op Mars grotendeels bestaat uit basalt en een iets meer siliciumrijke basaltische andesiet. De vorming van ijzeroxiden door verwering van die basalt geeft aan Mars de karakteristieke rode kleur. Hoewel er geen sporen zijn gevonden van actueel vulkanisme, blijft het een punt van discussie of Mars al dan niet een geologisch dode planeet is. De ouderdom van ‘Mons Olympus’ wordt geschat op slechts 100 miljoen jaar en steeds meer geloven planetaire geologen dat Mars geologisch nog niet dood is, zij het dat periodes van actief leven worden afgewisseld met lange comateuze rustperiodes. De thermische en vulkanische lifestyle van Mars wordt gekenmerkt door grote ‘hotspots’. Er zijn geen aanduidingen dat op Mars ooit een vorm van platentektoniek heerste.
Omdat Venus ongeveer even groot is als de aarde, verwachtte men sterke overeenkomsten in de geologie van de planeten. Het vaste oppervlak van Venus kan echter niet worden bestudeerd met lichttelescopen omdat de planeet gehuld is in opake wolken van CO2-gas en druppeltjes zwavelzuur. De infernale omstandigheden aan het Venusoppervlak zijn allesbehalve gunstig voor de werking van ruimtetuigen: de temperatuur ligt rond de 475°C, de druk rond 93 atmosfeer (de druk op een duikboot op 930 m waterdiepte). In 1970 kon pas het zevende Russische Venera-ruimtetuig op Venus landen en een twintigtal minuten functioneren. Latere Veneratuigen zonden foto’s en chemische analyses terug van het Venusoppervlak. De aard van de bodem bleek basaltisch te zijn. De morfologie van het Venusoppervlak is echter in groot detail gekend dankzij de radarmetingen in hoge resolutie (circa 300 m horizontaal) die sinds 1990 werden uitgevoerd door de Magellan die in een polaire baan rond Venus draait. De radarstralen worden niet gehinderd door de dichte Venusatmosfeer. De beelden reveleerden een vulkanisch pretpark met duizenden vulkanen van alle afmetingen, gaande van ‘Theia Mons’ met een diameter van 800 km en een hoogte van 4000 m tot kleinere structuren. Vulkanische structuren in de vorm van spinnen (‘Arachnoids’) en dikke pannenkoeken (‘Pancake domes’) komen vaak voor. De vulkanen zijn verbonden met grote riftzones en lineaire structuren en enkele lavavelden zijn groter dan 100 000 km2, ruim driemaal de oppervlakte van België. Fundamentale vragen over de geologische activiteit van Venus blijven alsnog onbeantwoord. De radarbeelden wijzen eerder op een regime van vulkanisme gedomineerd door hotspots en niet van platentektoniek. Magellan registreerde geen sporen van actief vulkanisme. Gemakkelijk met radar detecteerbare 20 tot 30 km hoge eruptiekolommen, zoals ze op de aarde voorkomen, worden op Venus niet gevormd wegens de zeer hoge dichtheid van de atmosfeer. De kans is groot dat Venus momenteel een geologische rustpause doormaakt tussen twee hotspotoprispingen.
De Voyager-missies naar de grote buitenplaneten van het zonnestelsel zorgden in maart 1979 voor een onverwachte ontdekking van actief vulkanisme op Io, een maan van Jupiter die slechts een beetje groter is dan de aardse maan. Iedereen dacht dat die kleine maan geologisch dood was. Op foto’s genomen door Voyager 1 was echter een eruptiekolom zichtbaar van 270 km hoog die materiaal verspreidde over een gebied van meer dan 1000 km breed. De eruptie zelf was een verrassing, maar ook de samenstelling van het drijfgas was ongewoon: zuiver zwaveldioxide die in het bijna complete vacuüm rond Io expandeerde met snelheden van 1000 m per seconde. Vóór die ontdekking werd Io reeds vergeleken met een ‘rotte sinaasappel’ wegens de gele, oranje en rode kleuren en vermoedde men dat dit te wijten was aan afzettingen van zwavel. Een twintigtal jaar (1997-2002) na de Voyager-ontmoetingen werd Io opnieuw van dichtbij bestudeerd door de Galileo-ruimtesonde. Nieuwe actieve vulkanen werden ontdekt en enkele vroeger ontdekte vulkanen bleken nog steeds actief. Waar oorspronkelijk de mening overheerste dat de lava’s uitsluitend uit zwavel bestonden, bleek nu uit temperatuurmetingen dat de meeste smelten toch zwavelrijke silicaten zijn.
In tegenstelling tot het vulkanisme op de aarde geniet de planeet Io van een ‘eeuwige-jeugd-lifestyle’
Het unieke van het vulkanisme op Io is de energiebron. De opwarming is volledig te wijten aan getijde-energie die in het inwendige vaste materiaal van Io opgewekt wordt door de enorme gravitatiekrachten van Jupiter. De krachten zijn zo sterk dat het solide oppervlak van Io een honderdtal meter op en neer beweegt tijdens de baan rond Jupiter. De Voyager-ontdekking was ook een hommage aan de kracht van de theoretische wetenschap, want enkele maanden voordien had de fysicus Stanton Peale dit opwarmingsmechanisme al voorspeld. In tegenstelling tot het vulkanisme op de aarde, maan, Mars en Venus dat draait of draaide op een niet-herlaadbare nucleaire batterij, geniet de planeet Io van een ‘eeuwige-jeugd-lifestyle’ door zijn energie te putten uit batterijen die dagelijks worden heropgeladen door Jupiter.
Christiaan Huygens zou opgetogen zijn over de resultaten van de ruimte-exploraties. De gemotiveerde lezer zal uit het boek van Charles Frankel zeker leren dat de natuur wel degelijk niet al haar rijkdom en tooi op de aarde heeft uitgespreid en dat toekomstige ruimte-exploraties voor verrassingen zullen blijven zorgen. De mooiste commentaar bij Huygens’ droom is Ray Bradbury’s aanhef in The Martian Chronicles (1951): ‘It is good to renew one’s wonder, said the philosopher. Space travel has again made children of us all.’
Charles Frankel, Worlds on Fire. Volcanoes on the Earth, the Moon, Mars, Venus and Io (Cambridge: Cambridge University Press, 2005).
Jan Hertogen is als geoloog verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License