28. Jul. 2017

Blick auf den Jungfraufirn im Berner Oberland.

Geophysiker haben bei ihrem Forschungsgegenstand häufig das Problem, dass sie nicht hineinblicken können. Entweder verhindert es die große Tiefe im Erdinneren oder die schiere Größe. Daher greifen die Wissenschaftler zu verschiedenen Durchleuchtungsmethoden. Auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien wurde die Nutzung von kosmischen Myonen als Tomographie-Methode vorgestellt.

Der Aletschgletscher im Schweizer Kanton Wallis ist der größte Eisstrom Europas, und er ist der einzige, der eine eigene Bahnstation hat. Auf 3454 Meter Höhe liegt in einer Kaverne im Fels des Jungfraujochs die Endstation der Jungfraubahn, an der jedes Jahr über 700.000 Touristen nach sieben Kilometern Tunnelfahrt aussteigen, um die eisige Gletscherwelt des Berner Oberlands zu erfahren. Von hier aus haben sie nur noch wenige Meter zu steigen und sind auf dem Jungfraufirn, einem der drei Quellgletscher, die sich am Konkordiaplatz auf 2700 Meter Höhe zum Aletschgletscher vereinigen. Seit 1912 fährt die Bahn die insgesamt neun Kilometer von der Kleinen Scheidegg zum Jungfraujoch mitten durch das Massiv von Eiger, Mönch und Jungfrau und unter dem Jungfraufirn hindurch.

"Dadurch ist der Jungfraufirn ein ideales Vermessungsobjekt", sagte Fritz Schlunegger, Geologie-Professor an der Universität Bern. An Schluneggers Institut erprobt man eine neue Durchleuchtungsmethode für ansonsten unzugängliche Regionen wie etwa den Jungfraufirn: die Myonen-Tomographie. Mit ihr konnte die Arbeitsgruppe erstmals die Felsoberfläche unterhalb des fließenden Firneises aufnehmen. "Wir konnten die Felsoberfläche unter dem oberen Teil des Jungfraufirn kartographieren", betonte David Mair, Doktorand an Schluneggers Institut, auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien, wo die Berner Arbeitsgruppe ihre Ergebnisse präsentierte. Danach fällt der Fels unterhalb des Gletschers nicht steil ab, sondern in etwa 45-Grad-Neigung, was in Zukunft die Gefahr von Felsstürzen verringert. "Da der Fels nicht senkrecht abfällt oder gar überkragt, wird er viel stabiler sein, wenn das Eis des Jungfraufirns zurückweicht", so David Mair.

Der Aletschgletscher ist der erste Eisstrom, der mit Hilfe der Myonen-Tomographie vermessen wurde. Die sehr junge Durchleuchtungsmethode wurde von japanischen Wissenschaftlern entwickelt und bislang vor allem an Vulkanen eingesetzt, um den Verlauf der Magmaschlote im Inneren der Kegel zu erkunden. Myonen sind Elementarteilchen, die in ihren Eigenschaften den Elektronen sehr ähnlich sind aber eine 200 Mal größere Masse haben. Sie entstehen in den obersten Schichten der Erdatmosphäre, wo deren Moleküle von energiereicher kosmischer Strahlung bombardiert werden. "Das passiert kontinuierlich und die Teilchen regnen geradezu auf die Erdoberfläche herab, der Myonenfluss ist, von geringen Schwankungen im Jahresverlauf abgesehen, ziemlich stabil", erklärte Mair in Wien.

Den konstante Myonenregen können Geowissenschaftler nutzen wie Mediziner die Röntgenstrahlung bei der Durchleuchtung eines Patienten. Denn die Myonen durchdringen zwar Materie, doch je nach Dichte des Materials werden sie mehr oder weniger stark abgebremst und umgelenkt. "Das können wir nutzen, um die Abfolge unterschiedlich dichter Gesteine zu dokumentieren", sagte Ryuchi Nishiyama, PostDoc am Labor für Hochenergiephysik der Berner Uni, der bereits während seiner universitären Ausbildung in Japan mit den dortigen Myonen-Pionieren zusammenarbeitete und in der Schweiz mit Schluneggers Arbeitsgruppe kooperiert.

Der Showa Shinzan auf Hokkaido war der erste Vulkan, auf den die Myonen-Tomographie angewandt wurde.
Bild: 663highland/CC BY-SA 3.0
Blick von der Kleinen Scheidegg auf den kurzen oberirdischen Teil der Jungfraubahn im Berner Oberland.
Bild: David Gubler/CC BY-SA 3.0
Schematische Darstellung des Myonen-Vermessungsexperiments am Jungfraujoch.
Bild: Bundesamt für Landestopographie
Blick auf den Vulkankegel des Stromboli.
Bild: Steven Dengler/CC BY-SA 3.0

Die Myonen-Tomographie arbeitet mit feinen Silberbromid-Partikeln, die in ein Trägergel eingebettet sind. Trifft ein Myon auf ein Silberbromid-Teilchen, erzeugt es einen schwarzen Punkt. "Es ist im Grunde eine simple Fotografie, allerdings von sehr hoher Empfindlichkeit", so Seigo Miyamoto von der Universität Tokio in Wien. Er gehört in Japan zu der Arbeitsgruppe, die die Methode bis zur Einsatzreife entwickelte und bereits an verschiedenen Vulkanen in aller Welt testete. Die Myonen-Detektorfilme werden sehr lange "belichtet", am Aletschgletscher etwa rund sechs Wochen. Danach kommen die Folien ins Labor und werden dort automatisch ausgewertet. Optische Mikroskope kartographieren jedes Myonensignal im Film. Jeder Detektor besteht aus zehn Filmlagen übereinander, ein Myon zieht damit eine Spur im Raum, die durch die Mikroskope rekonstruiert wird. Da überdies in der Regel mehrere Detektoren an unterschiedlichen Stellen positioniert werden, kann man aus ihnen im Computer ein räumliches Bild erstellen.

Seigo Miyamotos Arbeitsgruppe in Japan hat zum Beispiel vom Showa-Shinzan auf der Nordinsel Hokkaido ein solches dreidimensionales Bild erstellt. Der Vulkankegel ist ein Seitengipfel des ausgedehnten Usu-Vulkangebiets und entstand erst zwischen 1943 und 1945. Der Kegel hat eine Höhe von 398 Meter und ist weiterhin aktiv. "Die Umgebung besteht vor allem aus Asche und Gestein von relativ geringer Dichte", erzählt Miyamoto, "aber der Vulkankegel selbst besteht aus viel dichterem Gestein." Mit der Myonen-Vermessung konnte Miyamotos Arbeitsgruppe erkennen wie weit sich die dichte Lava des jungen Ausbruchs erstreckte. "Wir konnten sogar berechnen, wieviel Lava bei der Eruption aufgetürmt wurde", so der japanische Physiker. Ein vergleichbares Projekt betreut er derzeit am italienischen Stromboli vor der sizilianischen Küste. Dort vermisst er zusammen mit Kollegen des italienischen nationalen Instituts für Kernphysik den Hauptkrater des weiterhin aktiven Inselvulkans. "Wir wollen den Verlauf des Magmaschlotes beobachten, denn der ist ausschlaggebend für die Dynamik einer Eruption", sagt Miyamoto. Bislang haben die Forscher die unterschiedlich dichten Teile des Stromboli-Kegels identifizieren können. Für genauere Einsichten sollen jetzt weitere Myonen-Detektoren installiert werden.

Das ist nicht besonders schwierig, denn anders als konkurrierende Durchleuchtungs- methoden wie etwa Radar benötigt die Myonen-Tomographie keine aufwendige Infrastruktur, was gerade an unzugänglichen Vulkanen oder im Hochgebirge die Arbeit immens erleichtert. Die Detektorboxen mit den Silberbromid-Filmen müssen nur sicher befestigt und ausgerichtet werden, dann heißt es warten, bis genügend Myonen den Weg auf das "Papier" gefunden haben. Hauptschwierigkeit ist daher, den Detektor so zu platzieren, dass das zu durchleuchtende Objekt genau zwischen der Myonen-Quelle und dem Hightech-Fotopapier liegt. Das ist der Grund, warum die japanischen Pioniere Vulkane als Testobjekte wählten und die Schweizer den Jungfraufirn mit dem darunter verlaufenden Eisenbahntunnel. Bei den kegelförmig aufragenden Vulkanen kann man die Detektoren an einer Flanke aufstellen und muss sie nur nach oben hin abschirmen. So ist gewährleistet, dass keine Myonen gemessen werden, die von oben auf den Silberbromid-Film einprasseln, sondern nur die, die horizontal durch den Vulkan fliegen.

Geklärt wird derzeit überdies, wie groß der Einfluss der Gesteinsarten auf den Myonenfluss ist. "Der Fluss wird vor allem von der Dichte des Materials bestimmt, durch das er fließt, aber die Art des Gesteins spielt auch eine Rolle", erklärte Alessandro Lechmann, Doktorand am Berner Geologie-Institut. Er hat daher begonnen, verschiedene Gesteinsarten auf ihre Interaktionen mit den Myonen zu testen. Neben Kalkstein wurden Basalt und Granit und das Mantelgestein Peridotit untersucht. "Interessanterweise produzieren Basalt und Kalkstein mit rund 20 Prozent die größten Abweichungen", so Lechmann. Das Mantelgestein Peridotit lag dagegen mit 15 Prozent am unteren Rand der Abweichungen, obwohl Lechmann hier die größten Unterschiede erwartet hatte.

Im Vergleich zu anderen Durchleuchtungsmethoden wie etwa Radar zeichnet sich die Myonen-Tomographie durch ihre hohe räumliche Auflösung von derzeit fünf bis zehn Metern aus. Radarsatelliten aus der Umlaufbahn schießen wesentlich gröbere Bilder und haben überdies große Probleme, steile Flanken korrekt aufzunehmen. Gleichwohl können die Myonen wegen der Platzierungsproblematik Radar und Co. nicht als Standardmethode ablösen. "Es ist aber eine Alternative, wenn das Untersuchungsobjekt nur schwer zugänglich ist oder konventionelle Methoden aus anderen Gründen versagen", so Nishiyama.