Tundra-Waldbrände 2019 – das Gedächtnis der Atmosphäre

6. März 2020

Die verheerenden Waldbrände, die im Sommer 2019 in Kanada, Alaska und Russland wüteten, sind zwar längst nicht mehr Thema der Nachrichten, dennoch lassen sich ihre Nachwirkungen immer noch deutlich in der arktischen Stratosphäre nachweisen. Die Stratosphäre ist dabei der Teil unserer Atmosphäre, der oberhalb von etwa 10 km Höhe liegt, ab der die Temperatur durch die Absorption des Spurengases Ozon mit der Höhe zunimmt. Wasserdampf und Wolken erreichen normalerweise die Stratosphäre nicht, weswegen diese in der Regel trocken und klar ist.

Seit Anfang August 2019 beobachten wir in der Stratosphäre über unserer arktischen Messstation „AWIPEV“ auf Spitzbergen jedoch eine beständige Aerosolschicht. Aerosole sind kleine flüssige oder feste Partikel, die mit dem Wind in die Atmosphäre eingebracht werden. Aerosolquellen können natürlichen Ursprungs sein (Wüstenstäube, Seesalzkristalle oder Rückstände von Waldbränden) oder anthropogener Herkunft, wie aus Schornsteinen oder Emissionen aus dem Verkehr. Diese Aerosole beeinflussen die Wolkenbildung und sind in ihrer Wirkung auf das Klima noch schlecht verstanden. Da sie wie eine zusätzliche Hülle in der Atmosphäre einen Teil der solaren Strahlung reflektieren, wirken Aerosole global im Klimasystem abkühlend. In der Polarnacht können sie jedoch – ähnlich wie die Treibhausgase – einen Teil der irdischen Infrarotstrahlung zum Boden zurückreflektieren und damit erwärmend wirken. Entsprechend sind die Unsicherheiten von Aerosolen in Klimamodellen groß. Man müsste, um ihre genaue Wirkung besser abzuschätzen zu können, die Jahreszeit, Höhe ihres Auftretens und die chemische Zusammensetzung der Aerosole korrekt im Modell wiedergeben können.

Aerosole in der Stratosphäre

Normalerweise werden Aerosole durch Niederschlag in den Wolken wieder ausgewaschen. Große Partikel sedimentieren auch durch die Schwerkraft langsam zum Boden, so dass Aerosole in der unteren Atmosphäre nur einige Tage bis maximal wenige Wochen verbleiben. Große Vulkanausbrüche können aber Gase bis in die Stratosphäre schleudern, die dann im Laufe einiger Monate zu Aerosolen anwachsen. Durch das Fehlen von Luftfeuchtigkeit gibt es in der Stratosphäre praktisch keine Wolken und die Lebensdauer von Aerosolen in der Stratosphäre kann etliche Monate betragen. In dieser Zeit verbreiten sich die Aerosole weiträumig weltweit mit starken Luftströmungen. Auf diese Weise kommt das Phänomen des „vulkanischen Winters“ zu Stande, d. h. es trägt zur Beeinflussung des globalen Klimas bei. In der Stratosphäre angekommen, reflektieren die Aerosole das Sonnenlicht in den Weltraum zurück. Dies reduziert die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und es kommt zu einem Absinken der globalen Durchschnittstemperatur am Boden, während die Temperatur in den oberen Luftschichten ansteigt.

Obwohl Vulkane als Hauptquelle stratosphärischen Aerosols gelten, können auch große Waldbrände zu einer Aerosolbelastung der Stratosphäre beitragen. Bislang galt insbesondere die (seltene) Kombination aus Waldbrand und Gewitterzelle als Mechanismus, durch den effizient Teilchen oder Gase, aus denen sich dann Aerosole bilden, in die höhere Atmosphäre geschleudert werden können.  

Dass aber auch normale Waldbrände zu einer langanhaltenden Aerosolschicht in der Arktis führen, ist etwas Besonderes. Mit einem speziellen, für Aerosolforschung geeigneten Gerät, einem sogenannten Lidar (light detection and ranging), sehen wir seit Anfang August Aerosolschichten in der arktischen Stratosphäre. Ein Lidar funktioniert dabei wie ein optisches Radar: ein starker Laser blitzt in die Atmosphäre und die dort vorhandenen Aerosole streuen einen Teil des Lichtes zum Boden zurück, wo es mit einem Teleskop gemessen wird. Da man auch die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Laserpulses und dem Ankommen des zurückgestreuten Lichts messen kann, gewinnt man mit einem Lidar ein ganzes Höhenprofil und kann entsprechend einen Teil der Atmosphäre abtasten.
Abbildung 1 zeigt das Aerosollidar des AWIs an der Spitzbergener Forschungsstation AWIPEV in der Polarnacht. Der grüne Laserstrahl über dem Dach des Observatoriums besteht tatsächlich aus 50 sehr kurzen Lichtblitzen pro Sekunde, doch weder die Kamera mit ihrer Belichtungszeit noch das menschliche Auge mit seiner Trägheit können dies auflösen. Deswegen hat man die Illusion, einen kontinuierlichen Strahl zu sehen.

 

Beobachtung der stratosphärischen Aerosolschicht auf Spitzbergen

Die erste Beobachtung stratosphärischen Aerosols von den sommerlichen Waldbränden 2019 wurde am 2. August 2019 aufgenommen. In Abbildung 2 ist in einem Zeit-Höhen-Profil das sogenannte Rückstreuverhältnis dargestellt. Diese Größe gibt an, um wieviel die Rückstreuung das Maß übersteigt, das durch die normale Streuung an Luftmolekülen vorgegeben ist. Die Streuung an Luftmolekülen ist der Grund, warum wir tagsüber einen blauen Himmel sehen und nicht, wie auf dem Mond, Sterne und eine gleißend helle Sonne auf pechschwarzem Hintergrund. Steigt das Rückstreuverhältnis auf Werte über eins, dann gibt es zusätzliche Partikel, die ebenfalls zur Lichtstreuung beitragen: die Aerosole. Die rote, horizontale Linie in Abbildung 2 in etwa 10,5 km Höhe markiert an diesem Tag die Grenze zwischen der Tropo- und der Stratosphäre, die sogenannte Tropopause. Ein Teil der Aerosolschicht liegt ganz klar in der höheren Stratosphäre bis in circa 17 km Höhe. Teilweise ist die Rückstreuung dreimal höher als normal. In Abbildung 2 ist auch gut zu erkennen, warum die Stratosphäre (griechisch: „geschichtete [Luft-] kugel“) ihren Namen hat: wie eingangs beschrieben, steigt die Temperatur in der Stratosphäre mit der Höhe an. Warme Luft dehnt sich aus und ist damit leichter als kalte Luft. Wenn also warme Luft über kalter liegt, ist die Schichtung stabil und es gibt keinen vertikalen Austausch von Luftmassen. Die Aerosole, die bis in eine bestimmte Höhe aufgestiegen sind, bleiben dort und so ergibt sich die eindeutig zu sehende, streifenartige Struktur.

Abbildung 3 zeigt die gleiche physikalische Größe fünf Monate später. Die Aerosolschicht, jetzt in 10 km bis 16 km Höhe, ist deutlich schwächer geworden und hat nur noch eine Rückstreuung, welche die der klaren Luft um ein Viertel übersteigt (Rückstreuverhältnis von 1,25). Aus der Troposphäre sind die Aerosole durch die zahllosen Wolken der vergangenen Monate längst verschwunden, doch ist die Lebensdauer der Aerosole in der Stratosphäre, wie man es wegen der Trockenheit und der fehlenden vertikalen Durchmischung erwartet, tatsächlich deutlich länger.

In 20 km bis 22 km tritt ein neues Phänomen auf, welches an dieser Stelle nur kurz erwähnt werden soll. Es ist eine Perlmutterwolke, wissenschaftlich polare Stratosphärenwolke oder PSC „polar stratospheric cloud“ genannt. Es ist der einzige Wolkentyp in der Stratosphäre, der sich nur bei sehr tiefen Temperaturen in der Polarnacht bildet. Damit sehen wir momentan in der normalerweise klaren Stratosphäre über unserer Spitzbergener Station zwei unterschiedliche und ungewöhnliche Phänomene, die auf Aerosole und deren Wolkenbildungswirkung zurückgehen. „Wie so oft hält die Natur Überraschungen parat – doch, wenn man genau hinsieht und sich die richtigen Fragen stellt, wird man immer wieder mit überraschenden Einsichten belohnt“, unterstreicht Dr. Christoph Ritter Atmosphärenphysiker am AWI in der Außenstelle Potsdam und lächelt dabei. Weiterhin ergänzt er: „Welche Auswirkungen diese ungewöhnliche stratosphärische Konzentration von Aerosolen auf die Meereisbildung in diesem Winter hat, kann derzeit nicht quantifiziert werden. Jedoch ist auch dies ein Forschungsbereich, der während der MOSAiC-Expedition des Teams ATMOSPHERE durch umfangreiche Messungen und Sondierungen nicht nur auf der MOSAiC-Scholle, sondern auch an Landstationen wie AWIPEV untersucht wird, um ihn zukünftig besser in Klimamodellen berücksichtigen zu können. Aerosole müssen jedenfalls in der nächsten Generation von Klimamodellen explizit berücksichtigt werden und die Messungen in diesem Winter zeigen jedenfalls, dass noch ein weiter Weg vor uns liegt, zu einem umfassenden Verständnis zu gelangen!“.

 

Kontakt:
Dr. Christoph Ritter (AWI)
Dr. Renate Treffeisen (AWI)

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