Ein neues Gefahrenszenario am Vesuv: tödliche thermische Auswirkungen abgelöster Aschewolkenwellen im Jahr 79 n. Chr. in Herculaneum

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5622 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Verdünnte pyroklastische Dichteströme können in der Nähe von Vulkanen große Verwüstungen und Todesfälle verursachen, und die Temperatur ist ein entscheidender Parameter bei der Beurteilung ihrer tödlichen Kraft. Die Reflexionsanalyse an karbonisiertem Holz aus dem antiken Herculaneum ermöglichte eine neue Rekonstruktion der thermischen Ereignisse, die sich während des Vesuvausbruchs im Jahr 79 n. Chr. auf Gebäude und Menschen auswirkten. Hier zeigen wir, dass der erste PDC, der in die Stadt eindrang, eine kurzlebige Aschewolkenwelle mit Temperaturen von 555–495 °C war, die zum sofortigen Tod von Menschen führen konnte, während nur wenige Dezimeter Asche auf dem Boden zurückblieben, was wir festgestellt haben als von hochkonzentrierten Strömen getrennt interpretieren. Die nachfolgenden pyroklastischen Ströme, die die Stadt nach und nach begruben, waren größtenteils PDCs höherer Konzentration bei niedrigeren Temperaturen zwischen 465 und 390 und 350–315 °C. Holzkohle erwies sich als der einzige Proxy, der in der Lage war, mehrere kurzlebige extreme thermische Ereignisse aufzuzeichnen und so erstmals die tatsächlichen thermischen Auswirkungen des Ausbruchs im Jahr 79 n. Chr. zu enthüllen. Die tödlichen Auswirkungen, die für verdünntes PDC dokumentiert wurden, das bei antiken und jüngsten Vulkanausbrüchen erzeugt wurde, lassen darauf schließen, dass diese Gefahr am Vesuv und anderswo stärker berücksichtigt werden sollte, insbesondere die unterschätzte Gefahr, die mit heißen, abgelösten Aschewolkenströmen einhergeht, die, wenn auch nur von kurzer Dauer, Gebäude starker Hitze aussetzen können Schäden und Tod von Menschen.

Verdünnte pyroklastische Dichteströme gehören zu den tödlichsten vulkanischen Phänomenen. Es handelt sich um stark turbulente bodennahe pyroklastische Ströme (PDCs), die entweder als verdünnte Wellen am Schlot entstehen können (insbesondere bei phreatomagmatischen Eruptionen) oder mit hochkonzentrierten, talbegrenzten basalen Unterströmungen verbunden sein können, von denen sie sich lösen und unabhängig bewegen können , sogar über raue Topographien hinweg, was ihre Wege höchst unvorhersehbar macht1,2,3. Verdünnte PDCs sind für einige der tödlichsten Vulkankatastrophen verantwortlich, wie beispielsweise die am 8. Mai 1902 in St. Pierre, Martinique, bei der fast 30.000 Menschen auf der Stelle getötet wurden4,5,6, oder am 15. September 1991 am Mt. Unzen, Japan , bei dem 44 Menschen ums Leben kamen7,8, oder am 5. November 2010 in Merapi, Indonesien, wo mehr als 200 Menschen starben9,10.

Die Hauptursachen für Todesfälle und Verletzungen durch verdünnte PDCs sind eine Kombination aus (1) Verbrennungen aufgrund ihrer hohen Temperaturen11,12,13,14,15,16,17, (2) dynamischem Druck4,6; (3) Verletzungen durch saure Gase18, (4) Erstickung durch Ascheinhalation14,19.

Aufgrund ihrer geringen Dichte und Turbulenz neigen verdünnte PDCs dazu, sich schnell mit der Umgebungsluft zu vermischen und ihre Anfangstemperatur schnell abzugeben, sodass selten verdünnte PDCs mit hohen Temperaturen verbunden sind. Im Gegensatz dazu können verdünnte PDC-Umhüllungsströme mit hoher Konzentration, sogenannte Aschewolkenwellen2,3, sehr hohe Temperaturen aufrechterhalten, solange sie mit der Grundströmung mit hoher Konzentration gekoppelt sind23, die stattdessen thermisch konservativ ist20,21,22 und die sich kontinuierlich übertragen sowohl Masse als auch thermische Energie nach oben11,23. Dies impliziert, dass, wenn und wo es aufgrund topografischer Effekte zu einer Ablösung der Aschewolkenwelle kommt (z. B. 2,3), ihre Anfangstemperatur selbst in distalen Bereichen (z. B. 14, 24) so hoch sein kann wie die ursprüngliche basale hohe Konzentration aktuell.

Einmal abgelöste, verdünnte und turbulente Aschewolkenströme sind jedoch kurzlebige Ereignisse, die sehr oft nur wenige Zentimeter Asche am Boden zurücklassen, bevor sie abheben, und in den geologischen Aufzeichnungen kaum ein Erhaltungspotenzial besteht, es sei denn, sie werden sofort und konservativ von anderen verschüttet Ablagerungen derselben Eruption (z. B. Sturz- und/oder nicht erosive PC-Ablagerungen). Das geringe Konservierungspotenzial hat zu einer begrenzten Anzahl von Studien zu solchen Ablagerungen und damit verbundenen Phänomenen geführt1,2,3,5,6,7,25,26,27,28 und möglicherweise zu einer Unterschätzung der Gefahr von Aschewolkenfluten. insbesondere ihrer thermischen Auswirkungen.

Die archäologischen Stätten von Herculaneum und Pompeji sind wahrscheinlich die spektakulärsten und berühmtesten historischen Beispiele der Interaktion zwischen pyroklastischen Strömungen, Menschen und Siedlungen (Abb. 1). Hunderte Skelette menschlicher Opfer wurden in Schichten pyroklastischer Ablagerungen gefunden, die während des Ausbruchs des Vesuvs im Jahr 79 n. Chr. entstanden waren13,14,15,16,29.

Lage der archäologischen Stätte Herculaneum und Stratigraphie des Vesuvausbruchs im Jahr 79 n. Chr. (a) Übersichtskarte von Google Earth (Kartendaten © 2022 TerraMetrics) der kampanischen Ebene mit Standorten der archäologischen Stätten Herculaneum, Oplontis, Pompeji und Stabiae; (b) Alter Stadtplan von Herculaneum mit den fünf Probenahmestellen: Collegium Augustalium (rote Punkte), Decumanus Maximus (grüne Punkte), Geschäfte/Häuser ABCD (orangefarbene Punkte) im Norden der Stadt, House of the Frame (gelb). Punkt) liegt im Zentrum der Stadt und Fornici und der Strand vor der Eruption (blaue Punkte) entlang der Südwestseite; (c) Panoramablick nach Osten auf die archäologische Stätte Herculaneum; Die gestrichelte gelbe Linie markiert die Spitze der pyroklastischen Ablagerungen aus dem Jahr 79 n. Chr., die die antike Stadt begruben und auf denen die moderne Stadt errichtet wurde. im Hintergrund der Gipfelkegel des Vesuvs (1281 m ü. M.); rote Zahlen geben die ungefähre Lage der in (b) angegebenen Probenahmestellen an; (d) Detail der eigentlichen Basis der pyroklastischen Sequenz aus dem Jahr 79 n. Chr.; die S1-Aschewolkenablagerungen ruhen auf wenigen Zentimetern schwarzem Strandsand, der wiederum auf dem harten Untergrund ruht; (e) Küstenwand (West) der archäologischen Stätte Herculaneum, die die vollständige Stratigraphie des Vesuvausbruchs im Jahr 79 n. Chr. zeigt, kommentiert gemäß30,31; Das Dreieck auf 19 m Höhe ist der Aussichtspunkt für (c).

Obwohl der Ausbruch im Jahr 79 n. Chr. einer der am besten untersuchten Ausbrüche war, werden der genaue Zeitpunkt und die Todesursachen in Pompeji und Herculaneum immer noch diskutiert, was Auswirkungen auf vulkanologische, archäologische und forensisch-anthropologische Studien hat.

In Herculaneum wurden in einer Reihe von Bootsschuppen und an der Küste Hunderte von Skeletten gefunden, die in der ersten Ascheablagerung (bekannt als S130 oder EU2/3pf31, Abb. 1e) eingebettet waren, gepaart mit der lebensechten Haltung der Leichen der Opfer und die thermisch induzierten Auswirkungen auf Schädel und Knochen wurden als Beweis für starke Hitzeeinwirkung, plötzlichen Tod und schnelles Verschwinden von Weichgewebe im Körper als Folge der Einwirkung von ca. 500 °C auf das Skelett festgestellt13,14,15,16. Der einzigartige Fund eines verglasten Gehirns aus einem Skelett, das noch in seinem ursprünglichen archäologischen Kontext an der Stätte erhalten ist, wurde ebenfalls als Beweis für ein frühes sehr hohes thermisches Ereignis und die anschließende schnelle Abkühlung des frühen Aschewolkenanstiegs gemeldet17,32.

Andere Autoren schlugen vor, dass die Kollagenkonservierung in einigen Rippenknochen stattdessen auf eine Exposition gegenüber niedrigeren Temperaturen hindeuten könnte33. Daher ist die Bestimmung der Temperatur und der Art der pyroklastischen Ströme (PC) des Vesuvs im Jahr 79 v. Chr., die die Bewohner von Herculaneum töteten, immer noch umstritten, insbesondere da die Auswirkungen auf den menschlichen Körper sowie auf jedes andere Objekt nicht nur davon abhängen von der Temperatur des PCs, sondern auch von dessen Dauer und Geschwindigkeit des Wärmeaustauschs. Geologische Näherungswerte für die Lagerungstemperaturen der PC-Sequenz, die Herculaneum begräbt, haben bisher Durchschnittswerte um 350–400 °C angezeigt; Diese werden aus der thermischen remanenten Magnetisierung (TRM) lithischer Klasten34,35,36 und dem Reflexionsvermögen von aus PC-Ablagerungen gewonnenen Holzkohlestücken37 abgeleitet. Sowohl höhere (bis zu > 450 °C) als auch niedrigere (bis zu < 240 °C) Temperaturausreißer wurden ebenfalls dokumentiert13,17,36,37, letzteres insbesondere dort, wo PCs mit intakten oder eingestürzten Gebäuden und Meerwasser interagierten. Keine der oben genannten Studien und Methoden zielte jedoch direkt auf die Temperatur der schlecht erhaltenen frühen verdünnten PDCs ab, die nach Herculaneum gelangten, die Menschen sofort töteten und ihre Leichen kaum begruben13,14,15,16.

Hier untersuchen wir das Potenzial der Reflexionsanalyse von Holzkohle, die während der fortschreitenden Bestattung von Herculaneum im Jahr 79 n. Chr. gebildet wurde, um die Auswirkungen der extrem hohen Temperaturen der allerersten Aschewolke zu zeigen, die Menschen tötete und Infrastrukturen beeinträchtigte. Wir werden diskutieren, wie polymodale Verteilungen von Kohlereflexionswerten, die normalerweise übersehen und durch Mittelwerte10,22,37,38,39,40,41,42,43,44 geglättet werden, stattdessen mehrphasige thermische Ereignisse aufzeichnen. Insbesondere aufgrund der nicht retrograden Natur des Karbonisierungsprozesses können kurzlebige, frühe Hochtemperaturereignisse durch unvollständige Verkohlung des Holzes (d. h. Ungleichgewichtskarbonisierung, die möglicherweise nur den äußeren Teil des Holzes betrifft23) aufgezeichnet und gespeichert werden, wenn Die spätere Bestattung erfolgte bei niedrigeren Temperaturen (d. h. Gleichgewichtskarbonisierung, die die Holzbereiche, die noch nicht karbonisiert waren, in Holzkohle umwandeln kann, aber das Reflexionsvermögen der bei höherer Temperatur gebildeten Holzkohlebereiche nicht überlagern kann23).

Die archäologische Stätte Herculaneum stellt eine einzigartige Fallstudie dar, um die Gültigkeit und Empfindlichkeit der Holzkohlereflexion als Geothermometer für vulkanologische und bioarchäologische Umgebungen zu bestätigen und zu testen. Die Ergebnisse können wesentlich dazu beitragen, die Lücke zwischen forensischen, archäologischen und vulkanologischen Studien zu schließen, die in der Region Herculaneum durchgeführt wurden, und die Rekonstruktion des wichtigsten tödlichen thermischen Ereignisses erschweren. Diese Studie beleuchtet die thermische Transportkapazität ephemerer, verdünnter pyroklastischer Dichteströme, die hier als abgelöste Aschewolkenströme interpretiert werden, deren Gefährlichkeit noch immer weitgehend unterschätzt wird.

Die römischen Städte Herculaneum, Pompeji, Oplontis und Stabiae wurden während des Vesuv-Plinian-Ausbruchs im Jahr 79 n. Chr. zerstört und begraben. Die Stratigraphie dieser ikonischen Eruption, die in zwei Briefen vom Zeugen Plinius dem Jüngeren beschrieben wurde, wurde rekonstruiert und entspricht acht Haupteruptionseinheiten (30,31,45,46,47; Abb. 1e). Laut Plinius ereignete sich der Ausbruch zwischen dem 24. und 25. August. Während der frühen Phasen stieg eine anhaltende Eruptionssäule bis zu 30–33 km in die Atmosphäre auf45 und lagerte phonolitischen weißen Bimsstein ab, der als Lapilli ausfiel. Herculaneum war von dieser frühen Phase des plinianischen Niedergangs nicht betroffen, dessen Hauptausbreitungsachse südöstlich in Richtung Pompeji ausgerichtet war.

Am Abend/in der Nacht des 24. August veränderte sich der Bimsstein-Lapillen-Fallout zu einer grauen und phonotephritischen Zusammensetzung, und es bildeten sich einige pyroklastische Ströme aufgrund teilweiser Einstürze der Plinianischen Säule. Diese frühen Strömungen, die in Oplontis, Misenum, Stabiae und Herculaneum46 beobachtet wurden, wurden von Plinius dem Jüngeren als Wolken beschrieben, die „wie Bäche über den Boden wandern“48. Die zugehörigen PC-Ablagerungen, die die Basaleinheiten in Herculaneum bilden, wurden als S1–S227 oder EU2/3pf und EU3pf46 bezeichnet (Abb. 1e). Im Folgenden bezeichnen wir die Basaleinheit als S1 und S2.

S1-Ablagerungen bestehen aus 20–80 cm dicken massiven bis geschichteten hellgrauen, groben bis feinen Aschen30 (Abb. 1d). Die vorherrschende Aschegröße und die verringerte Mächtigkeit von S1 wurden als Beweis dafür interpretiert, dass Herculaneum zunächst von einer distalen verdünnten pyroklastischen Welle getroffen wurde14. Die Skelette von etwa 350 Menschen16, die entlang des Strandes in zwölf Kammern am Meer, im Folgenden Fornici (Abb. 1) genannt, und am Strand Schutz suchten, wurden innerhalb der Feinascheablagerung S1 gefunden. In der Stadt, die von den Herculaneum-Bürgern zu Beginn des Ausbruchs fast vollständig verlassen wurde, wurden nur ein paar Dutzend Opfer entdeckt, wie das im Haus des Skeletts gefundene, die beiden im Apodyterium16 und das liegende auf einem Bett im Collegium Augustalium17.

Das unbefestigte S1-Aschelager ist nur an sehr wenigen Stellen in der Stadt erkennbar. Am Fornici-Eingang (Abb. 1b, c) liegt die Dicke zwischen 35 und 60 cm, während sie innerhalb der Kammern 150 cm30 erreicht.

Entlang der Küstenlinie vor der Eruption, jetzt – 5 m unter dem heutigen Meeresspiegel (Abb. 1c, e), liegt S1 direkt auf wenige Zentimeter dickem schwarzen Strandsand (Abb. 1d). Hier reicht S1 von ca. 15 bis 50 cm dick und enthält zahlreiche verkohlte bis teilweise verkohlte Holzstücke und seltenere Dachziegel30. S1 wird von ca. überlagert. 70–100 cm dicke massive Schicht aus Asche und grauem Bimsstein, in der Holzkohlefragmente und anderes archäologisches Material eingebettet sind, was der Schicht S230 entspricht (Abb. 1e). Entlang des Strandes gefundene menschliche Überreste schwammen in der Feinascheablagerung S114,15,16. Oberhalb von S1 und S2 besteht die pyroklastische Abfolge aus einer 20 m dicken Abfolge von massivem, von der Aschematrix getragenem Lapilli-Tuffstein, der reich an Lava und Sedimentgestein ist und sich am Übergang der magmatischen und phreatomagmatischen Phasen der Eruption30,31 in hoher Konzentration ablagert PDCs, die die Stadt nach und nach begruben (Abb. 1).

Der Reflexionsgrad ist die optische Eigenschaft von Holzkohle, das einfallende Licht zu reflektieren und nimmt mit zunehmendem Verkohlungsgrad zu38,39,44,49,50. Wir verwenden Holzkohle aus der archäologischen Stätte Herculaneum als Stellvertreter, um die thermischen Ereignisse zu rekonstruieren, die die Stadt während des Ausbruchs im Jahr 79 n. Chr. betrafen. Verkohlte Holzfragmente wurden an fünf verschiedenen Stellen gesammelt, die entlang des Fließwegs verteilt waren, von der nächstgelegenen Nordseite (Collegium Augustalium, Decumanus Maximus und Stores/Houses ABCD), dem zentralen Bereich (das House of the Frame) bis zum distalen südwestlichen Bereich entlang Strand vor der Eruption (Fornici, Abb. 1b).

Insgesamt wurden 40 Proben von Holzkohlefragmenten entnommen (siehe Einzelheiten in der ergänzenden Materialtabelle S1): 12 aus dem Collegium Augustalium, 9 aus den Geschäften/Häusern ABCD entlang des oberen Cardo III, 3 entlang des Decumanus Maximus, 1 im Haus des Rahmens entlang des oberen Cardo II und 15 Fragmente am Fornici/Frontalstrand. Die Holzkohlefragmente stammen sowohl von Sträuchern als auch von Bäumen, die durch die Strömung entlang der Vulkanflanken und von Erzeugnissen (Möbel und Gebäude) abgerissen wurden. Laut taxonomischen Studien51 handelte es sich bei dem zur Zeit des römischen Ausbruchs für den Bau von Häusern und Möbeln verwendeten Holz zu 90 % um Nadelholz (Tannenholz48).

Das Maß des Reflexionsgrads (Ro) ist ein sehr robuster und experimentell gut eingeschränkter Indikator für die Temperatur, bei der sich die Holzkohle gebildet hat38,39,50,52. Diese Methode wurde als Geothermometer in verschiedenen Karbonisierungskontexten weit verbreitet angewendet: diagenetische Grabumgebung, in der organisches Material langsam karbonisiert44,53,54, wilde Buschbrände49,55,56, natürliche und anthropogene Brände42,57 vulkanische Ablagerungen10,22,23,36, 37,38,40,41,58. Trotz solch großer Unterschiede bei den Karbonisierungsprozessen folgte die Verarbeitung von Reflexionsdaten zur Ermittlung der Paläotemperaturen in vulkanischen Umgebungen in der Regel dem gleichen Ansatz wie bei diagenetischer Holzkohle, nämlich der Berechnung des mittleren Reflexionswerts und der zugehörigen Standardabweichung von fünfzig bis einhundert Messungen für jede Probe10,22,23,36,37,41. Allerdings haben einige Autoren in vulkanischen Umgebungen, in denen kurzlebige thermische Ereignisse einer vollständigen Karbonisierung möglicherweise nicht förderlich sind, auch die Verwendung des Durchschnitts der drei maximalen Reflexionswerte40 vorgeschlagen, um das Ungleichgewicht der Karbonisierung bei thermischen Spitzenbedingungen mit der erhaltenen Temperatur besser zu erfassen stellt immer noch nur ein Minimum dar, da die Erwärmungsdauer unbekannt ist38. Jüngste Studien haben außerdem gezeigt, dass in PC-Ablagerungen eingeschlossene Holzkohle polymodale Verteilungen der Reflexionsdaten innerhalb einzelner Proben aufweisen kann, und argumentierten, dass unterschiedliche Reflexionspopulationen stattdessen mehrere thermische Ereignisse aufzeichnen könnten, die das Holzfragment erlebte10,23. Dies ist möglich, da der Prozess der Karbonisierung nicht rückläufig ist und Zeiträume in der Größenordnung von Stunden erfordern, um abgeschlossen zu werden38,50. Daher kann eine polymodale Reflexionsverteilung die Überlagerung nachfolgender thermischer Ereignisse anzeigen. Um konserviert zu werden, müssen diese zunehmend niedrigere Temperaturen aufweisen: (1) die frühen Hochtemperaturereignisse müssen nur von kurzer Dauer sein, sodass Holz bei hohen Reflexionswerten nur teilweise karbonisiert werden kann, während andere Bereiche frisch bleiben; (2) Die späteren Ereignisse mit niedrigerer Temperatur können sich dann nur auf die frischen Domänen auswirken, die der Kohlereflexion in der einzelnen Probe die polymodale Verteilung verleihen. Es ist zu beachten, dass, wenn das spätere thermische Ereignis stattdessen bei einer höheren Temperatur als dem ersten auftritt, das gesamte Holzkohlestück bei höheren T-Bedingungen zurückgesetzt würde, was zu einer unimodalen Population von Reflexionswerten führen würde.

Basierend auf diesen jüngsten Erkenntnissen werden wir bei der Datenverarbeitung das Vorhandensein polymodaler Verteilungen berücksichtigen, um die Abfolge nachfolgender thermischer Ereignisse zu entschlüsseln, indem wir zusätzlich zum Mittelwert und der Standardabweichung die Hauptmoden identifizieren. Der Durchschnitt der drei maximalen Ro-Werte (3Ro max) wird verwendet, um die minimale Temperatur des maximalen thermischen Ereignisses zu bewerten40.

Alle analysierten Proben sind weder von einer Veränderung nach der Ablagerung noch von einer Remineralisierung betroffen (Abb. 2a′ – i′). Reflexionsdaten zeigen sowohl unimodale als auch polymodale Verteilungen in verschiedenen Proben (Abb. 2a'' – i''). Beide Trends wurden in Abb. 2 und Tabelle 1 beschrieben und geben die Anzahl der an jeder Probe durchgeführten Messungen, den mittleren Reflexionsgrad, die Standardabweichung, die Hauptmodi, den maximalen Reflexionswert und den Mittelwert der drei maximalen Reflexionswerte an. Die Werte der Hauptmoden und die Streuung der Daten um sie herum sind in allen Stichproben ähnlich (Abb. 2 und Tabelle 1). Daten von Proben, die zur gleichen Holzquelle gehören (z. B. Bettrahmen oder Hausbalken), werden zusammen mit einem einzelnen Häufigkeitshistogramm dargestellt. Die Ergebnisse werden für die fünf Probenahmestellen beschrieben.

Standort der Probenahmestelle für verkohlte Holzfragmente und Ergebnisse der Reflexionsanalyse. Die Bilder von a bis i zeigen die Orte, an denen die verkohlten Holzfragmente gesammelt wurden (a – Bild des Stützbalkens im Collegium Augustalium, b – Foto des verkohlten Bettrahmens im Collegium Augustalium; c – Foto der Überreste des menschlichen Körpers auf dem Boden liegend, als die Eruption stattfand; d – Panoramaansicht des Decumanus Maximus; e – karbonisierter Hausbalken entlang des Decumanus Maximus und S1-Ascheablagerung (in situ); f – Detailaufnahme des S1-Ascheablagerungsaufschlusses entlang des Decumanus Maximus; g – Ansicht der Geschäfte/Häuser ABCD entlang des III Cardo Superiore; h – Ansicht des House of the Frame und Foto von karbonisiertem Saatgut, das im House of the Frame geborgen wurde; i – Panoramaansicht der Fornici-Kammern entlang des Pre- Eruptionsstrand, Küste und l – Foto einer Gruppe von Skeletten, die in einer der Kammern gefunden wurden. Mikrofotografien von a′ bis i′ von Holzkohleproben unter reflektiertem Licht von polierten Stümpfen, die keine Mineralisierung oder Veränderung der Proben zeigen; Ro vs. Zählungshistogramme angegeben mit den Buchstaben a′′–c′′, e′′–i′′, die die Verteilung der Reflexionsdaten und den Ro-Mittelwert, die Modi und den Mittelwert der 3 Ro-Maximalwerte anzeigen.

Der Großteil der beprobten Holzkohle stammt von Standorten, die in den 1960er Jahren vollständig ausgegraben wurden, und zu diesem Zeitpunkt war die Stratigraphie der vulkanischen Ablagerungen nicht dokumentiert. Daher können einige Proben nicht genau innerhalb der Stratigraphie des Ausbruchs lokalisiert werden. Die Proben wurden jedoch in den ersten 1–2 m über dem Boden gesammelt und können dann, basierend auf den noch am Standort erhaltenen stratigraphischen Sequenzen, den S1–S2-Lagerstätten und möglicherweise der darüber liegenden Einheit zugeordnet werden (Abb. 1). ). Im folgenden Abschnitt gehen wir nur auf die Standorte ein, bei denen die Proben einer bestimmten Vulkaneinheit zugeordnet werden können.

668 Reflexionsmessungen wurden an 12 Holzkohleproben aus dem Collegium Augustalium durchgeführt: 7 Proben von einem Dachstützbalken, der während der Restaurierung von Bauwerken nach dem Erdbeben im Jahr 62 n. Chr. verwendet wurde und zum Zeitpunkt des Ausbruchs im Jahr 79 n. Chr. in Arbeit war (Abb. 2a). ), 4 Proben von einem Bettrahmen (Abb. 2b) und eine Probe von der Ascheablagerung, die die Körperreste eines auf dem Bett gefundenen Mannes bedeckt (Abb. 2c)17 (siehe ergänzende Materialtabelle S1). Die Asche, die den Körper und das Holzbett bedeckt, ist reich an grauen Bimsstein-Lapilli, deren Vergleich mit ähnlichen in der Stadt gefundenen stratigraphischen Sequenzen darauf schließen lässt, dass S2 die beste Zuschreibung ist. Proben vom Stützbalken und der Ascheablagerung über dem Skelett zeigen eine polymodale Datenverteilung (Abb. 2a'', c'') mit zwei bzw. drei Hauptmoden. Die analysierten Stützbalkenfragmente weisen einen mittleren Reflexionsgrad (Ro-Mittelwert) von 1,047 (STDEV = 0,365) und zwei Hauptmoden bei Ro = 0,890 und 1,120 auf. Der Mittelwert der 3 maximalen Reflexionswerte (3Ro max) beträgt 2,235. Die Kohle aus der Asche, die den Körper des Mannes bedeckt, lässt auf einen Ro-Mittelwert von 1,370 (STDEV. = 0,326) und drei Hauptmodi bei Ro = 1,260, 1,550 und 1,750 schließen. Der Mittelwert des 3Ro max beträgt 2,007. Kohlefragmente aus dem Bettrahmen zeigen eine etwa unimodale Datenverteilung (Abb. 2b′), wobei der Ro-Mittelwert 0,902 entspricht (STDEV = 0,159). Aufgrund der unimodalen Datenverteilung liegen die beiden Hauptmoden 0,830 und 0,950 sehr nahe am Ro-Mittelwert. Der Mittelwert des 3Ro max beträgt 1,354.

Entlang des Decumanus Maximus gesammelte Holzkohlefragmente (Abb. 2d) gehören zu einem Hausbalken (zwei Proben, Abb. 2e), der sich vor dem Collegium Augustalium befindet, und zu einer erhaltenen geschichteten Feinascheablagerung, die direkt auf dem Boden ruht (eine Probe). , Abb. 2f) auf S1 zurückzuführen. Aufgrund seiner Höhe über dem Boden war der Hausbalken vermutlich in der Lapilli-Tuff-Abfolge vergraben, die die Stadt begrub (EU3pf2b und EU4-8 in Abb. 1). Fragmente aus der Mitte und vom Rand des Hausbalkens wurden analysiert, um den Karbonisierungsgrad zu vergleichen; wohingegen mehrere Holzkohlestücke aus der gesammelten Feinascheablagerung extrahiert wurden (S1 oder EU2/3pf in Abb. 1e).

Die Ergebnisse der durchgeführten 136 Reflexionsmessungen zeigten eine unimodale Datenverteilung für die Hausstrahlprobe mit Reflexionswerten im Bereich von 0,500 bis 1,350. Der Ro-Mittelwert entspricht 0,972 (STDEV = 1,112) und der Hauptmoduswert von 0,980 ist nahezu identisch mit dem Ro-Mittelwert. Der Mittelwert der 3 Ro max beträgt 1,244. Die 67 durchgeführten Reflexionsmessungen an verkohlten Holzstücken, die aus der Aschelagerstätte entnommen wurden, weisen auf eine polymodale Verteilung mit drei unterschiedlichen Modi hin. Der Ro-Mittelwert beträgt 0,903 (STDEV = 0,418), während die identifizierten Modi 0,250, 1,000 und 1,350 entsprechen. Der Mittelwert des 3Ro max beträgt 1,525.

Es ist zu beachten, dass die Proben, die zum Kern und zum Rand des Hausbalkens gehören (Ergänzungsmaterialtabelle S1 zu ERC-54A und ERC-54B), den gleichen Karbonisierungsgrad aufweisen.

Insgesamt wurden 500 Reflexionsmessungen an den neun Holzkohleproben durchgeführt, die in den Geschäften/Häusern ABCD entlang der NNW-Seite der Stadt gesammelt wurden (Abb. 2g). Diese Holzkohlefragmente gehören zu den Bodenbalken im zweiten Stock dieser Geschäfte/Häuser (Ergänzungsmaterialtabelle S1).

Die Ergebnisse der Reflexionsdaten der vier Geschäfte/Häuser wurden in einem einzigen Frequenzhistogramm zusammengeführt (Abb. 2g''). Die Datenverteilung zeigt deutlich einen polymodalen Trend mit zwei klaren Modi. Der Ro-Mittelwert entspricht 0,601 (STDEV = 0,153), die beiden identifizierten Modi entsprechen 0,440 und 0,690, während der Mittelwert der 3 Ro max 0,988 beträgt.

Das House of the Frame liegt mitten in der Stadt am oberen Cardo II (Abb. 1b). Im Inneren des Hauses wurden verkohlte Samen einer noch nicht identifizierten Pflanze gefunden, die mit den Skelettresten eines Kindes in Verbindung gebracht wurden (Abb. 2h). Wie aus einer makroskopischen morphologischen Analyse der feinen Asche, die den Schädel des Kindes füllt, und seinen Einschlüssen sowie aus daran durchgeführten CT-Scans hervorgeht, ähnelt diese feine Ascheablagerung derjenigen, in der die Skelettreste des Mannes im Collegium gefunden wurden Augustalium, so dass dieses junge Opfer, wie alle anderen Herculaneum-Bewohner16, sofort bei der Ankunft von S1 starb, wurde wahrscheinlich von S2 verschlungen und begraben. Die fünfzig an einem Samen durchgeführten Reflexionsmessungen weisen auf eine unimodale Datenverteilung hin (Abb. 2h′), die in einem engen Reflexionsbereich zwischen 0,550 und 0,800 konzentriert ist. Der Ro-Mittelwert entspricht 0,698 (STDEV = 0,052), der Hauptmodus liegt bei 0,750, sehr nahe am Ro-Mittelwert; der Mittelwert des 3Ro max beträgt 0,813.

Die 15 Holzkohleproben, die in den Fornici und entlang des Küstenstrandes vor dem Ausbruch gesammelt wurden (Abb. 2i), zeigen sowohl eine vollständige als auch eine teilweise Karbonisierung (Ergänzungsmaterialtabelle S1). Aus der Aschelagerstätte S1, in der die Leichen der Opfer ausgegraben wurden, wurden verkohlte Holzproben entnommen (Abb. 1e). Die 751 Reflexionsmessungen weisen auf eine polymodale Datenverteilung mit zwei Hauptmoden hin. Der an dieser Stelle ermittelte Ro-Mittelwert ist im Vergleich zu den anderen Probenahmestellen der niedrigste und entspricht 0,436 (STDEV = 0,154). Die beiden identifizierten Hauptmodi sind 0,300 und 0,450, während der Mittelwert des 3Ro max bei 0,852 liegt.

Pyrolyseexperimente mit verschiedenen Anlagen und Heizprotokollen haben mehrere Kurven ergeben, die die steigende Temperatur und den Reflexionsgrad der Holzkohle korrelieren38,39,42,43,44,49,50,55,56. Diese Pyrolysekurven weisen ähnliche Trends auf, es treten jedoch Unterschiede auf (siehe ergänzender Materialtext S1, Abb. S1, Tabelle S2). Basierend auf den verkohlten Holzarten und dem untersuchten Karbonisierungsprozess im Zusammenhang mit pyroklastischen Strömen beziehen sich unsere Temperaturschätzungen auf die Kurve von55 (siehe ergänzende Materialtabelle S2 und das Flussdiagramm in Abb. S2).

Tabelle 1 zeigt die Umrechnung der Reflexionswerte in die Temperatur. Aufgrund der polymodalen Verteilung, die bei fast allen analysierten Proben auftritt, betrachten wir die Ro-Hauptmoden und nicht die Ro-Mittelwerte als die repräsentativsten Reflexionswerte jeder Probe. Darüber hinaus verwenden wir die gemessenen 3Ro-Max-Werte für die Bewertung der Mindesttemperatur des höchsten thermischen Ereignisses40.

Die höchsten Temperaturen wurden im nördlichen Teil der Stadt am Collegium Augustalium und entlang des Decumanus Maximus gemessen, wo die 3Ro max-Werte von Holzkohle einen Temperaturbereich zwischen 495 und 555 °C aufweisen.

Die sowohl im nördlichen als auch im südwestlichen Teil der Stadt erkennbaren Ro-Moden zwischen 0,690 und 1,260 zeigen sinkende Temperaturen von 465 auf 390 °C (Tabelle 1).

Die niedrigsten Ro-Moden im Bereich von 0,250 und 0,450 wurden bei Decumanus Maximus und Stores/Houses ABCD identifiziert, jedoch vorwiegend in Holzkohleproben, die am Fornici und entlang des Strandes vor der Eruption gesammelt wurden. Die relativen Temperaturen liegen zwischen 315 und 350 °C. In Tabelle 1 sind die in Temperatur umgerechneten und nach Probenahmestellen geordneten Reflexionswerte im Detail aufgeführt.

In der Tabelle sind die Ergebnisse der Reflexionsanalyse der 40 in Herculaneum gesammelten Proben, aufgeteilt nach Probenort, im Detail aufgeführt. Probenquelle, Datenverteilung (unimodal oder polymodal), Anzahl der gemessenen Fragmente (N), Ro-Mittelwert, Standardabweichung, Ro-Modi und Mittelwert der gemessenen 3Ro-Maximalwerte sowie relative Temperaturumwandlung unter Verwendung der 55-Pyrolysekurve werden angegeben.

Verdünnte pyroklastische Dichteströme waren bei zahlreichen Vulkanereignissen in der Geschichte tödlich. Trotz der zahlreichen Vorfälle wird die Gefahr von PDCs in geringer Konzentration immer noch unterschätzt und in den Gefahrenkarten nicht vollständig berücksichtigt. Gemäß2 sollte die gefährdete Zone im Vergleich zu den damit verbundenen basalen pyroklastischen Strömungen hoher Konzentration doppelt so groß sein.

Die unterschätzte Gefahr solcher turbulenten, verdünnten und pyroklastischen Hochtemperaturströme liegt in der geringen Erhaltung ihrer dünnen und leicht wegwaschbaren Ablagerungen in der stratigraphischen Aufzeichnung trotz ihrer hohen thermischen Wirkung auf Menschen und Objekte.

Die jüngsten Vulkanausbrüche ereigneten sich 1991 am Unzen7,8,26,59, 2010 am Merapi-Vulkan9,12, 2018 in Guatemala60,61 und 2019 in Neuseeland62,63 und verdeutlichen die Notwendigkeit, unser Verständnis der Gefahr verdünnter PDCs zu vertiefen hinsichtlich ihrer thermischen Wirkung11.

Im Fall des Fuego de Guatemala-Ausbruchs im Jahr 2018 starben mehr als 300 Menschen (obwohl unabhängige Auswertungen leider auf bis zu 2900 Todesfälle hinweisen)11,60. Aschewolkenwellen geringer Konzentration, die sich vom Tal lösten, begrenzten hochkonzentrierte Ströme und töteten viele von ihnen, bis sie erstickten und erstickten schwere Verbrennungen60. Die Leichen einiger Opfer wurden auf topografischen Höhen gefunden, weit entfernt von den Talteichen, wo sich dicke und hochkonzentrierte pyroklastische Ströme ansammelten, und sie waren nur teilweise von dünnen Ascheschichten bedeckt, die aufgrund der Einwirkung hoher Temperaturen eine kämpferische Haltung zeigten60. Sie wurden daher sicherlich durch die hohe Temperatur der turbulenten Aschewolke, die sich an der Peripherie hochkonzentrierter Ströme ablöste, getötet und nicht durch den Einfluss von dynamischem Druck. Ähnlich verhielt es sich mit dem Ausbruch einer Aschewolke am 15. September 1991 am Berg Unzen in Japan, der 44 Todesopfer forderte7,8 auf einem Hochrelief, das ein eingeschnittenes Tal begrenzte, in dem die hohe PDC-Konzentration weiterhin begrenzt war. Diese tragischen Vulkanereignisse weisen bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit dem berühmtesten Ausbruch des Vesuvs im Jahr 79 n. Chr. auf.

Die hitzebedingten Auswirkungen, unter denen die Opfer litten, insbesondere die Explosion und Verkohlung von Schädeln, die Verdampfung von Gehirnen, rissige und verkohlte Knochen, rissige Zähne, Kontraktion von Gliedmaßen und thermischer Abbau von Bluthämoproteinen14,15,16 weisen auf das Auftreten einer frühen extremen Erkrankung hin hohes thermisches Ereignis, höher als die zuvor geschätzte Temperatur von etwa 500 °C. Anders als in Pompeji, wo viele Leichen die typische Post-Mortem-Haltung zeigen, die als Faustkampfhaltung bekannt ist, zeugt das Fehlen einer solchen Leichenhaltung in Herculaneum vom raschen Verschwinden von Weichgewebe, da die Faustkampfhaltung auf Dehydrierung und Verkürzung der Muskeln durch intensive Belastung zurückzuführen ist Hitze14,16. Bisher wurden jedoch in Herculaneum keine direkten Messungen eines solchen frühen PC-Ereignisses bei hohen Temperaturen durchgeführt.

Unsere Studie zum Reflexionsvermögen von Holzkohle zeichnet zum ersten Mal das Auftreten nachfolgender thermischer Ereignisse bei sinkender Temperatur auf, die sich auf Herculaneum auswirkten. Durch den Vergleich der pyroklastischen Stratigraphie (Abb. 1e) und der thermischen Stratigraphie, die durch die polymodale Verteilung des Holzkohlereflexionsvermögens aufgezeichnet wurde, können wir die Abfolge der PC-Ereignisse rekonstruieren, die sich auf die Stadt ausgewirkt haben.

Das erste verdünnte PDC (S1 oder EU2/3pf nach Angaben der Autoren) gelangte in Herculaneum mit einer Temperatur von über 550 °C, aufgezeichnet durch Proben, die am Collegium Augustalium und Decumanus Maximus gesammelt wurden (Tabelle 1). Dies ist die Mindesttemperatur des thermischen Ereignisses, da die polymodale Kohlereflexion eine frühe unvollständige Karbonisierung aufzeichnet, was auf ein kurzlebiges Ereignis hinweist, das nicht in der Lage ist, das vollständige Gleichgewicht zu erreichen, das in Experimenten normalerweise nach mindestens 24 Stunden bei konstanter Temperatur erreicht wird, z Holzstücke mit den Maßen 2 × 5 cm38.

Auf dieses frühe Ereignis mit > 550 °C folgte später eine Reihe von PCs, die schließlich die Stadt unter 20 m dicken vulkanischen Ablagerungen begruben (Abb. 1e). Diese späteren Ströme waren durch niedrigere Temperaturen gekennzeichnet, was durch das Vorhandensein mehrerer Moden innerhalb derselben Holzkohleprobe belegt wurde, woraus wir auf mindestens zwei Karbonisierungsereignisse bei Temperaturen im Bereich von 390 bis 465 °C bzw. 315 bis 350 °C schließen ließen. Die niedrigeren Temperaturen dieser späteren Ereignisse können durch die fortschreitende Beteiligung von Grundwasser im Verlauf der Eruption erklärt werden (siehe phreatomagmatische Phase31; Abb. 1e).

Das Auftreten eines frühen kurzlebigen verdünnten PDC-Ereignisses bei > 550 °C, bei dem nur eine dünne Ascheschicht auf dem Boden zurückbleibt und später die Ablagerung niedrigerer Temperaturen, aber dickerer pyroklastischer Ablagerungen folgt, ermöglicht es, die Bedingungen für die Bildung und Erhaltung von a zu verstehen verglastes Gehirn, das kürzlich im Schädel eines Opfers im Collegium Augustalium entdeckt wurde17. Die Umwandlung von frischem Hirngewebe in eine heiße Umgebung in Glas ist nur möglich, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: (1) die Erwärmung ist nur von kurzer Dauer, so dass das Gewebe nicht vollständig verdampft15, und (2) sobald das verdünnte PDC dies getan hat verschwunden ist, ist der Körper nicht vollständig in einer heißen Ablagerung begraben, eine notwendige Voraussetzung für die sehr schnelle Abkühlung, die zum Erreichen der Vitrifizierung erforderlich ist17,66. Dies lässt erkennen, dass es sich bei S1 um ein kurzlebiges, extrem heißes, verdünntes Ereignis handelte und dass eine ausreichende Zeitspanne für die schnelle Abkühlung des noch teilweise der Luft ausgesetzten Körpers auftrat, bevor die folgenden PCs nach und nach in die Stadt eindrangen und sie bedeckten. Die niedrigere Temperatur dieser späteren PC-Ablagerungen erklärt die Erhaltung des vitrifizierten Gehirns sowie der hohen Reflexionswerte innerhalb polymodaler Verteilungen. Wenn die nachfolgende PC höhere Temperaturen aufweisen würde, wäre das vitrifizierte Gehirn wieder über die Glasübergangstemperatur erhitzt worden und in seiner neuronalen Ultrastruktur verloren gegangen, die stattdessen vollständig erhalten bleibt32, und die Holzkohlefragmente wären bei höheren, unimodalen Ro vollständig zurückgesetzt worden Werte.

Die Temperatur der S1-Asche, die zuvor nur allgemein durch Hitzeeinwirkung auf die Skelette der Opfer13,14,15,16 und das verglaste Gehirn17,64 abgeleitet wurde, wird jetzt bei einer Mindesttemperatur von > 550 °C durch hohe Reflexionswerte in polymodaler Holzkohle aufgezeichnet Datensätze, wohingegen alle anderen paläothermischen Daten aus dem Rest der pyroklastischen Sequenz auf niedrigere Temperaturen diachroner Prozesse im Zusammenhang mit der späteren Bestattung der Stadt hinweisen34,36,37,65,66.

Verdünnte PDCs zeichnen sich durch hohe Luftporenkoeffizienten aus27,67, daher kann die aufgezeichnete hohe Temperatur von S1 nicht durch einen verdünnten Strom erklärt werden, der an der Entlüftung erzeugt wird und sich als Welle über 7 km entlang des Vesuvhangs ausbreitet. Stattdessen schlagen wir eine neue Interpretation für das erste Herculaneum-Ereignis als einen Aschewolkenstoß vor, der sich von nahegelegenen hochkonzentrierten pyroklastischen Strömen löst, wie sie 19917,68 in Unzen und 201811 am Volcan de Fuego auftraten. Hochkonzentrierte pyroklastische Ströme, insbesondere im Tal Eingeschränkt kann es kilometerweit von der Entlüftungsöffnung entfernt sehr hohe Temperaturen aufrechterhalten, da der Lufteinschluss sehr begrenzt ist (z. B. 20, 21, 22), wohingegen die darüber liegenden Aschewolken auch eine ähnlich hohe Temperatur aufrechterhalten können, solange sie mit Masse versorgt werden Hitze von unten23. Sobald sich die Aschewolke jedoch von der Grundströmung hoher Konzentration löst und zu einem unabhängigen verdünnten Schwall wird, sinkt die Temperatur aufgrund der schnellen Luftmitnahme und des Wärmeaustauschs, die durch die feine Korngröße der Pyroklasten gefördert werden, schnell.

Herculaneum wurde mit Blick auf die Meeresküste auf einem Relief etwa 10–15 m über dem Meeresspiegel errichtet (Abb. 1), also auf einer topografischen Anhöhe, die wahrscheinlich nördlich und südlich von Tälern begrenzt ist, entlang derer die dichteren Teile der pyroklastischen Strömungen begrenzt gewesen wären und derzeit unter der modernen Stadt begraben (Abb. 3a, c).

Szenario des S1-Aschewolken-Einbruchs in Herculaneum. (a) DTM (20 m) Karte des Vesuv-Vulkans (Qgis Software Version 3.18 Zürich) mit S1-Gebietsverteilung gemäß30 und Standort von Herculaneum. Abgeleitete Richtung der talbegrenzten pyroklastischen Ströme (dunkelrote gerade Pfeile) und der damit verbundenen Aschewolkenwellen (dünne und gebogene schwarze Pfeile), die Herculaneum und die Küstenlinie vor der Eruption erreichten (dünne rote Linie). (b) A–A′-Transversalrekonstruktion (nicht maßstabsgetreu) der Aschewolkenablösung von talbegrenzten hochkonzentrierten PCs, die als Hochtemperaturquelle (>> 550 °C) für die Aschewolke fungierten. (c) B–B′-Längsrekonstruktion (nicht maßstabsgetreu) der S1-Aschewolke, die die Stadt bei T > 550 °C einhüllt, und ihre Wechselwirkung mit Meerwasser entlang der präeruptiven Küstenlinie, wodurch die Geschwindigkeit schnell verlangsamt und die Temperatur gesenkt wird (350). –400 °C).

Das wahrscheinlichste Szenario für S1 in Herculaneum ist unserer Interpretation nach das einer Aschewolke, die von ihrem übergeordneten, im Tal begrenzten pyroklastischen Strom mit hoher Konzentration direkt in der Nähe der Stadt abgekoppelt wird, so dass sich die Aschewolke bei hoher Temperatur bilden könnte (Abb. 3a–c). Ein ähnliches Szenario wurde für die frühen Phasen der Fogo-A-Eruption (Azoren)69 rekonstruiert.

Nachdem sie die Stadt durchquert hatte, 200 m flussabwärts vom Decumanus Maximus, sprang die Aschewolkenwelle S1 auf den Strand und in die Uferkammern (Fornici, Abb. 1), wo sie die Menschen, die dort Zuflucht gesucht hatten, sofort tötete13. Die thermischen Auswirkungen, die auf die Knochen der Opfer im Fornici13,14,15,16 festgestellt wurden, stimmen gut mit der Aschewolkentemperatur von > 550 °C überein, die flussaufwärts am Collegium Augustalium und am Decumanus Maximus gemessen wurde. Die vereinzelte Erhaltung von Knochenkollagen scheint kein Beweis für eine niedrige Temperatur des Aschewolkenstoßes zu sein, wie von einigen Autoren behauptet33, sondern sie scheint mit dem Ausmaß der Wärmeübertragung zusammenzuhängen, der die Körper und Knochen der Opfer während des Angriffs ausgesetzt waren kurzlebiges Aschewolkenereignis. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass das größere oder geringere Ausmaß der Hitzeeinwirkung auf das Skelett oder sogar auf ein einzelnes Knochenelement eng mit der geringeren oder größeren Ansammlung von Opfern innerhalb der Fornici und auch mit der Menge an vorhandener Fleischmasse in den verschiedenen Fornici zusammenhängt anatomische Bezirke, sogar auf der Ebene eines einzelnen Knochens15,16. Das Fortbestehen von Proteinen wie Kollagen und anderen organischen Bestandteilen der Knochen in Herculaneum ist jedoch höchstwahrscheinlich unabhängig von der Einwirkung mehr oder weniger starker Hitze, kann aber eher mit der Bestattungsumgebung in Zusammenhang stehen, in der die Skelette der Opfer bis zu ihrer späteren Entdeckung eingebettet waren etwa 2000 Jahre70. In Herculaneum wurden die Skelette nach dem plötzlichen Tod und dem schnellen thermisch bedingten Verschwinden des Weichgewebes in einem alkalischen, anoxischen Boden begraben, der dauerhaft durchnässt war70, eine Umgebung, die in der Lage war, chemische Veränderungen durch mikrobielle Angriffe71,72 zu verhindern und so ein langfristiges Überleben der organischen Substanz im Knochen zu ermöglichen .

Die durch Holzkohle in Fornici gemessene durchschnittliche niedrigere Temperatur zwischen 325 und 350 °C (Tabelle 1) kann durch den schnellen Wärmeaustausch aufgrund der Wechselwirkung der Aschewolke mit menschlichen Körpern und dem nahegelegenen Meerwasser erklärt werden. Direkte Beobachtungen von pyroklastischen Strömen, die ins Meer gelangen, nachdem sie sich entlang der Hänge von Stratovulkanen bewegt haben (z. B. 73, 74), zeigen, dass sie sich aufgrund der Mitnahme von Meerwasser schnell aufblähen und abkühlen. Dieser Effekt wurde in der nahe gelegenen Villa dei Papiri37 dokumentiert und steht im Einklang mit gut dokumentierten Beispielen, einschließlich der Ascheflut von 1902, die Saint Pierre, Martinique4,5 zerstörte, und der Aschefluten von Secche di Lazzaro, Stromboli75, wo die Kombination von Topografische Effekte und Meerwasserüberschwemmung an der Wechselwirkung zwischen Küstenschwall und Wasser förderten die plötzliche Ausbreitung des Schwalls und sogar den Rückfluss des abgekühlten und verdünnten Schwalls bergauf. Eine weitere Ursache für die Absenkung der Temperatur der Ablagerungen, in denen die Körper der Opfer in den Fornici eingebettet sind, könnten die Körper selbst sein, da sie eine direkte Quelle einer großen Menge Wasserdampf sind, der durch die Verdampfung und das schnelle Verschwinden von weichem Körpergewebe entsteht durch die Einwirkung einer großen Zahl von Opfern extremer Hitze15,16, wobei die Umgebung vermutlich durch eine höhere Temperatur als die der Lagerstätte selbst gekennzeichnet ist.

Wir gehen daher davon aus, dass die erste Aschewolkenwelle S1 nur von sehr kurzer Dauer war und die Küste und die Fornici immer noch bei > 500 °C erreichte, fast keine Ablagerungen hinterließ, aber die Menschen dort tötete13,14. Die Wechselwirkung zwischen der Aschewolkenwelle und dem Meerwasser verursachte das Aufblähen der Welle und das Absetzen der abgekühlten Asche unmittelbar danach, die dann die Skelette der Menschen einbettete, die bereits sofort durch die extreme Hitze getötet wurden (Abb. 3b A–A′-Profil). Diese Interpretation erklärt die scheinbare Diskrepanz zwischen den gemessenen Temperaturen an der Meeresküste und auch den Unterschied in der Mächtigkeit von S1, das in der Stadt maximal 20 cm dick ist, während es entlang der Küste vor der Eruption 50 cm erreicht (laut Fornici bis zu 150 cm). bis30), wobei die Ablagerung durch die verlangsamte und gekühlte wassergemischte Aschewolke kontrolliert wurde.

Die Ergebnisse dieser Studie haben beispiellose Auswirkungen auf die Minderung des Vulkanrisikos am Vesuv und möglicherweise anderswo. Die rote Zone am Vesuv, in der im Falle eines zukünftigen Ausbruchs die vollständige Evakuierung von ca. 700.000 Menschen geplant ist76, wurde auf der Grundlage der aus geologischen Aufzeichnungen abgeleiteten Wahrscheinlichkeit einer PC-Invasion77 entworfen. Obwohl dies sicherlich das zu erreichende Ziel ist, bleibt es ungewiss, ob das Fortschreiten der vulkanischen Unruhen genügend Zeit lässt, um die erwartete vollständige Evakuierung vor dem Ausbruch zu erreichen78. Darüber hinaus sind plinianische Ignimbrite76 aus gerichteten und teilweisen Zusammenbrüchen der Eruptionssäule, die begrenzt entlang von Tälern fließt und anfällig für die Ablösung von Aschewolken ist, wahrscheinlicher mit achsensymmetrischen calderabildenden Ignimbriten79 aus PCs, die auf einmal die gesamte rote Zone bedecken77. Angesichts dieser Voraussetzungen schlagen wir vor, dass die Gebäude innerhalb der roten Zone unabhängig von der Notwendigkeit, alle Menschen vor dem Ausbruch zu evakuieren, verstärkt werden sollten, um die Menschen vor den thermischen Auswirkungen von Aschewolkenwellen schützen zu können, falls eine vollständige Evakuierung nicht erreicht werden kann Zeit. Tatsächlich kommt es in Zonen, die einem hohen dynamischen Druck von PCs mit hoher Konzentration und hoher Geschwindigkeit ausgesetzt sind, unweigerlich zum Einsturz von Gebäuden und Strukturen mit sehr geringen Überlebenschancen, während andere Zonen von kurzlebigen, abgelösten Aschewolken betroffen sein können, in denen das Überlebenspotenzial von entscheidender Bedeutung ist hängt von der Fähigkeit der Schutzräume ab, das Eindringen des heißen, staubigen Gases zu verhindern. Dies könnte es Menschen ermöglichen, die möglicherweise nicht früher evakuiert werden konnten, zu überleben und auf Rettung zu warten oder das Gebiet zu verlassen, bevor andere PCs das Gebiet beeinträchtigen könnten.

Die Vorbereitung der Kohleproben und die Reflexionsanalyse wurden im ALBA-Labor an der Universität Roma Tre in Rom durchgeführt. Die Proben wurden vorsichtig von Aschepartikeln gereinigt und in eine Mischung aus Epoxidharz und Härter eingelegt. Nach 48 Stunden wurden sie mit Karborundpapier unterschiedlicher Körnung (250, 500, 1000) poliert und anschließend mit Aluminiumoxidpulver abnehmender Korngröße (1, 0,3, 0,1 μm) poliert. Die Proben wurden unter Ölimmersion mit einem Zeiss Axioskop 40 A Pol-Mikroskop-Photometer-System (MPS-System), ausgestattet mit einer Wolfram-Halogenlampe (12 V, 100 W), einem Epiplan-Neofluar 50 × /1,0-Ölobjektiv, unter Verwendung von gefiltertem 546 analysiert nm einfallendes Licht.

Für die Kalibrierung des Reflexionsphotometers wurden vor der Durchführung von Reflexionsmessungen mit dem MPS 200-System von J&M monokristalline Prismen verwendet, um eine Kalibrierung über einen weiten thermischen Reifebereich zu gewährleisten: Spinell (Ro = 0,426), Saphir (Ro). = 0,595), Yttrium-Aluminium-Granat (Ro = 0,905) und Gadolinium-Gallium-Granat (Ro = 1,726).

Die Instrumentenkalibrierung wurde nach der Messung jeder Probe wiederholt, um die maximale Präzision und den Bestimmungskoeffizienten (R2) der Regressionslinie (basierend auf drei Standards) gleich oder größer als 0,99998 aufrechtzuerhalten. Für eine gute statistische Repräsentativität wurden an jeder Holzkohleprobe mindestens 50 Reflexionsmessungen durchgeführt, wobei nur Fragmente ausgewählt wurden, deren Oberflächen unverändert waren.

Die Online-Version enthält ergänzendes Material. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an den entsprechenden Autor AP

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Die Autoren danken dem Archäologischen Park von Herculaneum für den Zugang zur Stätte und die Erlaubnis, Holzproben zu sammeln. Wir danken auch dem Akademischen Labor für Beckenanalyse (ALBA) der Universität Rom Tre für die Nutzung der Ausrüstung für die Kohlereflexionsanalyse. Wir danken auch den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zur Verbesserung des Manuskripts.

Diese Forschung wurde durch den Grant of Excellence Departments, MIUR-Italien (ARTICOLO 1, COMMI 314–337 LEGGE 232/2016) finanziert. Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Wissenschaftliche Abteilung, Geologie, Universität Rom III, Largo S. Leonardo Murialdo 1, 00146, Rom, Italien

Alessandra Pensa, Guido Giordano und Sveva Corrado

ISPRA – Italienisches Institut für Umweltschutz und Forschung, Via Vitaliano Brancati 48, 00144, Rom, Italien

Alessandra Denk

Abteilung für fortgeschrittene biomedizinische Wissenschaften, Labor für menschliche Osteobiologie und forensische Anthropologie, Universität Federico II von Neapel, Via Pansini 5, 80131, Neapel, Italien

Pier Paolo Petrone

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Dieses Manuskript wurde von AP und GG verfasst, diskutiert und überprüft von PP, SC, AP und GGAP, erstellte Abbildungen, Tabellen und ergänzendes Material. PP und GG sammelten Holzkohleproben an der archäologischen Stätte Herculaneum. AP führte die Kohlereflexionsanalyse im ALBA-Labor der Roma TRE-Universität durch. PP koordiniert seit Jahrzehnten Untersuchungen zu menschlichen Überresten in Herculaneoum.

Korrespondenz mit Alessandra Pensa.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pensa, A., Giordano, G., Corrado, S. et al. Ein neues Gefahrenszenario am Vesuv: tödliche thermische Auswirkungen abgelöster Aschewolkenwellen im Jahr 79 n. Chr. in Herculaneum. Sci Rep 13, 5622 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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Eingegangen: 02. November 2022

Angenommen: 30. März 2023

Veröffentlicht: 06. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32623-3

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