Die weiß-graue Wolke, die durch die Eruption auf dem polynesischen Archipel freigesetzt wurde, ist die erste, die nachweislich in eine kalte Schicht der Atmosphäre, die Mesosphäre, eingedrungen ist, so die Wissenschaftler, die eine neuartige Technik zur Messung der Höhe der Wolke mit Hilfe mehrerer Satellitenbilder angewandt haben.

Die Wolke bestand in erster Linie aus Wasser, dem etwas Asche und Schwefeldioxid beigemischt war, sagte der Atmosphärenforscher Simon Proud, Hauptautor der in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie. Eruptionen von Vulkanen an Land bestehen in der Regel aus mehr Asche und Schwefeldioxid und weniger Wasser.

Die ohrenbetäubende Eruption schickte Tsunami-Wellen über den Pazifischen Ozean und erzeugte eine atmosphärische Welle, die mehrere Male um die Welt reiste. (Siehe dazugehörige Grafik)

"Für mich war es beeindruckend, wie schnell die Eruption stattfand. Aus dem Nichts wurde in nur 30 Minuten eine 57 Kilometer hohe Wolke. Ich kann mir nicht vorstellen, wie das vom Boden aus ausgesehen haben muss", sagte Proud, ein Mitarbeiter des britischen National Centre for Earth Observation, der an der Universität Oxford und dem STFC RAL Space arbeitet.

"Etwas, das mich fasziniert hat, war die kuppelartige Struktur in der Mitte der Regenschirmfahne. So etwas habe ich noch nie gesehen", fügte der Oxford-Atmosphärenforscher und Mitautor der Studie Andrew Prata hinzu.

Die Schäden und Verluste an Menschenleben - sechs Tote - waren aufgrund der abgelegenen Lage des Ausbruchs relativ gering, obwohl eine kleine, unbewohnte Insel ausgelöscht wurde. Tonga ist ein Archipel von 176 Inseln mit etwas mehr als 100.000 Einwohnern, das südöstlich von Fidschi und knapp westlich der internationalen Datumsgrenze liegt.

"Es hätte viel schlimmer kommen können", sagte Proud.

Die Wolke erstreckte sich durch die unteren beiden Schichten der Atmosphäre, die Troposphäre und die Stratosphäre, und etwa 7 km (4 Meilen) in die Mesosphäre. Der obere Teil der Mesosphäre ist der kälteste Ort in der Atmosphäre.

"Die Mesosphäre ist eine der oberen Schichten unserer Atmosphäre und ist im Allgemeinen ziemlich ruhig - es gibt dort oben kein bekanntes Wetter und die Luft ist sehr trocken und extrem dünn", sagte Proud. "Sie ist einer der am wenigsten verstandenen Teile der Atmosphäre, da sie so schwer zu erreichen ist. Tiefer unten können wir Flugzeuge einsetzen. Höher oben haben wir Raumfahrzeuge. Viele Meteore verglühen in der Mesosphäre, und sie ist auch die Heimat nachtleuchtender Wolken, die manchmal am Sommerhimmel in Richtung der Pole zu sehen sind."

Die Wolke war weit davon entfernt, die nächste atmosphärische Schicht, die Thermosphäre, zu erreichen, die etwa 85 km (53 Meilen) über der Erdoberfläche beginnt. Die so genannte Karman-Linie, etwa 100 km über der Erdoberfläche, gilt allgemein als Grenze zum Weltraum.

Die bisher höchsten aufgezeichneten vulkanischen Abgase stammen vom Ausbruch des Mount Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991 mit einer Höhe von 25 Meilen (40 km) und vom Ausbruch des El Chichón in Mexiko im Jahr 1982 mit einer Höhe von 19 Meilen (31 km). Vulkanausbrüche in der Vergangenheit erzeugten wahrscheinlich höhere Abgasfahnen, aber sie ereigneten sich, bevor die Wissenschaftler in der Lage waren, solche Messungen vorzunehmen. Proud sagte, dass die Eruption des Krakatau in Indonesien im Jahr 1883 wahrscheinlich ebenfalls die Mesosphäre erreichte.

Die Wissenschaftler waren nicht in der Lage, ihre standardmäßige temperaturbasierte Methode zur Messung einer Vulkanfahne anzuwenden, da der Ausbruch im Januar die maximale Höhe, für die diese Methode verwendet werden kann, überschritten hat. Stattdessen griffen sie auf drei geostationäre Wettersatelliten zurück, die alle 10 Minuten Bilder aufnahmen und sich dabei auf den so genannten Parallaxeneffekt verließen - die Bestimmung der Position eines Objekts, indem es entlang mehrerer Sichtlinien betrachtet wird.

"Damit der Parallaxenansatz, den wir verwenden, funktioniert, braucht man mehrere Satelliten an verschiedenen Standorten - und das ist erst seit etwa zehn Jahren in globalem Maßstab möglich", sagte Proud.