Zoals velen die opgroeiden in Oost-Duitsland, Dr. Gert Lube verlangde er altijd naar om te reizen en verschillende plaatsen te verkennen. Tien jaar na de val van de Berlijnse Muur, toen hij eerstejaars geologiestudent was aan de universiteit van Greifswald, hij hoorde over een excursie naar IJsland en greep de kans.

Hoewel de reis alleen toegankelijk was voor tweede- en derdejaarsstudenten, Dr. Lube slaagde erin zich een weg te banen om mee te doen. Het was een reis die de loop van zijn leven voor altijd zou veranderen en zijn interesse in vulkanologie zou opwekken.

"Ik ben opgegroeid in een land met gesloten grenzen en dus greep ik elke kans die op mijn pad kwam om naar het buitenland te gaan en landschappen te zien die ik nog niet eerder had gezien. Ik zag mijn eerste vulkaan op deze excursie, en ik was nogal verbaasd over hoe anders een vulkanisch landschap was dan alles wat ik tot dan toe had meegemaakt.

"Ik wist in dit stadium heel weinig over vulkanen, maar die excursie in IJsland was een beetje een begin. Toen ik terugkwam, Ik vroeg mijn professor of ik een onderzoeksproject in het gebied kon doen en ik ging op zoek naar mensen die me meer konden vertellen over vulkanen, ' zegt dr. Lube.

Zijn zoektocht naar meer kennis leidde tot verschillende fellowships in het Verenigd Koninkrijk aan de Universiteit van Bristol en de Universiteit van Cambridge - waaronder een periode als vulkanoloog bij het Montserrat Volcano Observatory in West-Indië - voordat hij zijn Ph.D. aan de Kiel University in de Noord-Duitse deelstaat Sleeswijk-Holstein.

Iets meer dan twee decennia later en Dr. Lube is nu Associate Professor in Physical Volcanology aan Massey University, waar hij de onderzoeksgroep Physical Volcanology and Environmental Fluid Mechanics leidt. Dr. Lube's onderzoeksinteresses omvatten explosief vulkanisme, fysica en sedimentologie van natuurlijke granulaire vloeistofstromen, vulkaanstratigrafie en natuurwetenschap.

Snel bewegende dodelijke golven van hete, giftige gassen en as

bij Massey, Dr. Lube leidt ook de grootschalige uitbarstingssimulator, de grootschalige experimentfaciliteit voor pyroclastische stroomuitbarsting - kortweg PELE - gehuisvest in het oude ketelhuis op de Manawatū-campus.

Pyroclastische stromen - ook bekend als pyroclastische dichtheidsstromen (PDC's) - zijn snel bewegende lawines van hete, giftige gassen en as, die temperaturen van 700C kunnen bereiken en alles op hun pad kunnen vernietigen tijdens vulkaanuitbarstingen. Het waren pyroclastische stromen die de Romeinse stad Pompeii in 79 na Christus verwoestten.

Eerder dit jaar, Dr. Lube publiceerde een artikel in het prestigieuze peer-review tijdschrift Natuur Beoordelingen Aarde &Milieu , uitgenodigd om het artikel samen te vatten. De krant, Meerfasig stromingsgedrag en gevaarvoorspelling van pyroclastische dichtheidsstromen, mede geschreven door Dr. Lube en zijn collega's van de Universiteit van Oregon (VS), het National Institute of Geophysics and Volcanology in Italië en de Boise State University (VS) onderzoeken hoe ons begrip van pyroclastische dichtheidsstromen de afgelopen tien jaar is verbeterd.

De dodelijke aard van pyroclastische dichtheidsstromen maakt de ontwikkeling van robuuste gevarenmodellen een prioriteit. Echter, in het artikel schetst Dr. Lube hoe de complexiteit van gas-deeltjesinteracties binnen PDC's, evenals hun vijandige karakter, maakt kwantitatieve metingen van interne stromingseigenschappen, en de validatie van gevarenmodellen, uitdagend.

In het laatste decennium, grote vooruitgang van grootschalige experimenten, veldobservaties en computationele en theoretische modellen hebben nieuwe inzichten opgeleverd in de raadselachtige interne structuur van PDC's en belangrijke processen achter hun vloeistofachtige beweging geïdentificeerd.

De toekomstgerichte beoordeling schetst ook toekomstige onderzoekspaden en uitdagingen over hoe de recente vooruitgang in inzicht moet worden gebruikt om robuuste gevarenmodellen te ontwikkelen die met vertrouwen kunnen worden ingezet voor de openbare veiligheid.

Het ontwikkelen van robuuste gevarenmodellen

Het is juist deze behoefte aan openbare veiligheid, risicovoorspelling en -beperking die het onderzoek van Dr. Lube leiden. Hij combineert zijn veldwerk met vulkanische activiteit voor en na uitbarstingen om te kwantificeren wat er in de lucht gebeurt en vervolgens met behulp van computationele en experimentele methoden om vulkanische processen te synthetiseren om ze beter te begrijpen en om gevarenmodellen te ontwikkelen.

"In de vulkanologie is het gebied dat ik het leukst vind het proces waarbij elk soort stromend materiaal betrokken is. Het zijn meestal zeer explosieve processen zoals vulkanische lawines die door bergen razen of vulkanische pluimen die met een snelheid van enkele honderden meters naar beneden komen uit vulkanische openingen per seconde en doe dan wat gekke dingen in de atmosfeer, terwijl ze interageren met het landschap en de infrastructuur.

"Proberen deze complexe en chaotische processen te begrijpen op een manier dat je ze kunt voorspellen, is iets dat me echt drijft, want daar zie ik de mogelijkheid om iets nuttigs te doen met onze wetenschap."

Zijn onderzoek omvat het werken met tal van langdurige belanghebbenden, waaronder het ministerie van Civiele Bescherming en Noodbeheer, het ministerie van Natuurbehoud, het leger, en politie, over evacuatieplannen en -procedures direct na uitbarstingen voor de vulkanen op het centrale plateau van Nieuw-Zeeland.

"Pyroclastische dichtheidsstromen komen voor op alle vulkanen van Nieuw-Zeeland, ze veroorzaken meer dan een derde van alle vulkanische sterfgevallen, ze brengen wereldwijd meer dan 500 miljoen mensen rechtstreeks in gevaar, waardoor ze de gevaarlijkste vulkanische verschijnselen zijn die we kennen, ' zegt dr. Lube.

Ontwakende vulkanen

De laatste grote uitbarsting van Mt Taranaki, een van de risicovolle vulkanen van Nieuw-Zeeland vond plaats rond 1854, en hoewel het nu misschien sluimerend is, Dr. Lube zegt dat het niet de vraag is of het zal uitbarsten, maar wanneer.

"Taranaki is een van de meest actieve vulkanen die we hebben in Nieuw-Zeeland op geologische tijdschalen en zijn tweelingbroer in Indonesië, berg Merapi, is de gevaarlijkste vulkaan ter wereld. Daarom is een deel van mijn onderzoek gericht op Indonesië om niet te begrijpen hoe de Merapi-vulkaan op zich werkt, maar hoe we deze kennis kunnen vertalen in het voorspellen van wat er zeker zal gebeuren in onze generatie. Zelfs als Taranaki nu inactief is, er is een zeer grote kans dat het zal ontwaken en uitbarstingsfasen zal hebben die tientallen jaren in ons leven zullen duren."

Indonesië is het land met het grootste aantal actieve vulkanen - meer dan 120 actieve vulkanen en ongeveer vijf miljoen mensen in de gevarenzones - maar de kwetsbaarheid voor natuurlijke gevaren houdt daar niet op, zegt dr. Lube. Het is ook gevoelig voor aardbevingen, overstromingen, en tsunami's.

"It's very sad how people get struck by natural disasters again and again, and they lose everything and then they very bravely rebuild their lives again. Over my decade of work in Indonesia I have become good friends not only with the researchers there but also the locals. It is very different to New Zealand where we are relatively safe; even if we have natural hazards, we can deal with these much better than in a third-world country like Indonesia."

One-of-a-kind eruption simulator

In het afgelopen decennium is Dr. Lube and Massey colleagues have been at the forefront of the development of new volcanic hazards models. At the PELE, the large-scale eruption simulator facility, the researchers synthesize the natural behavior of volcanic super-hazards and generate these flows as they occur in nature, but on a smaller scale.

The team has made important discoveries of the complex processes behind the motion and the internal structure of the hot currents

The limited knowledge on volcanoes and the difficulties in developing mathematical models prompted Dr. Lube to build Massey's one-of-a-kind eruption simulator. "The problem with volcanoes is that they are extremely violent and so wild that we know in fact very little about them. We know very little about how they operate inside and that makes it extremely difficult to develop mathematical and physical models to inform decision-makers and forecast what kind of damage they can do, and how they interact with natural topography, with buildings and infrastructure."

The simulator scales down all the physical properties of a large event so they can be safely observed and measured. It is composed of a 13-meter high tower, where volcanic material is heated inside a hopper and released down a 12-meter channel, while high-speed cameras and sensors capture the data. The experimental eruptions typically only last 10 to 20 seconds but take about one month to prepare.

"The pyroclastic flow simulator is unique in the world and is the only place where we can synthesize conditions just as they would occur in a volcanic eruption. It's been very cool for volcanology in New Zealand and globally and has led to international experts visiting us in Manawatū and wanting to collaborate and do research with us."

Kiwi ingenuity

Perhaps the most surprising thing about the simulator was how relatively easy it was to get it built with the help of local engineers and some Marsden funding. "I've been quite lucky in that I got to know some local engineers at the time, who were excited enough about this project to help in designing, building and testing a facility at a scale for which there was no previous blueprint and scientific experience out there. Door de jaren heen, we continued to work with the same engineers to advance our measurement capabilities and to add scenarios for a large number of volcanoes and hazard scenarios, " Dr. Lube says.

Since 2019, Dr. Lube and his team lead an international initiative to intercompare and advance current volcanic flow hazard models. In a just started Marsden-funded project "Turbulent volcanic killers—how volcanic eruptions become ferocious, " the volcanologists plan to investigate the physical processes behind the destructiveness of pyroclastic flows.

As part of the Marsden research, the team will investigate the exact processes that occurred on Whakaari / White Island last year. When the island erupted in December 2019 the tragic death of 21 people and major injuries of 26 people visiting the island was caused by the pyroclastic density currents.

Whakaari / White Island

Dus, does Dr. Lube think the eruption on White Island could have been foreseen? Although the volcanologists at earth-science research and monitoring body GNS Science had seen an increase in volcanic activity in the months preceding its massive eruption, Dr. Lube says with current knowledge the timing of the eruption on 9 December 2019 could have not been predicted with any certainty.

He points out that White Island had been and continuous to be in a very active state with several outbreaks in the past decade, the last of which in 2016 was very similar to the one in 2019—the main difference being the lack of tourists on the island at the time.

Liever, hij zegt, the big question is whether people should be allowed to be anywhere near the vent sides of a volcano [the opening through which lava and gasses erupt]. "Naar mijn mening, definitely not and I see a lot of change in legislation as a result of this disaster."

Dr. Lube says White Island was unusual in that the pyroclastic was slow and low in energy:"Despite this, the pyroclastic density current was the only killer which just goes to prove how extremely lethal these phenomena are and it drives me more to try and understand how they work."

Our scientific understanding of how volcanoes work is changing, in part fuelled by numerous collaborations by experts in the field and a desire to help prepare for future eruptions and save lives.

Far from being a narrow field, Dr. Lube explains, the study of volcanology is broad and involves mathematics, natuurkunde, chemistry and computational science. "You can't be an expert in all these fields and working with these experts who come to Massey is really important."

"It is very collegial, and we have to work as a large global research community because these volcanic hazards are real hazards and many of us, especially those working in New Zealand have to inform decision-makers of what to do in certain situations. It is important for public safety."