Messung von Aerosolen, die bei der Verbrennung von Biomasse freigesetzt werden

Autor: Justin Fisher

Von Juni bis Oktober verursacht das Abbrennen landwirtschaftlicher Felder im Süden Afrikas Rauch, der über den Südostatlantik bis ins mehr als 7.200 Kilometer entfernte Brasilien zieht. Mithilfe von Mikropuls-LiDAR (MPL) und anderen Instrumenten haben Forscher der vom US-Energieministerium betriebenen Station zur Messung atmosphärischer Strahlung (Atmospheric Radiation Measurement – ARM) auf der abgelegenen Insel Ascension 16 Monate lang Daten gesammelt, um zu verstehen, wie sich diese Schwebeteilchen auf das Klima auswirken.

Klimamodelle erfordern bessere Daten

Die Verbrennung von Biomasse (VB) erzeugt Aerosole, die in die Atmosphäre gelangen. Eine erhebliche Menge dieser Schwebstoffe besteht aus Ruß und anderen kohlehaltigen Aerosolen, die Licht absorbieren und die Atmosphäre erwärmen. Handelt es sich bei der darunter liegenden Oberfläche jedoch um einen dunklen Ozean, reflektieren die Partikel das Licht und kühlen dadurch die Atmosphäre. Die Wissenschaftler benötigen genaue Messungen aller Arten von Aerosolen in den verschiedenen Schichten der Atmosphäre, um die Bewegungen und langfristigen Auswirkungen des Rauchs zu untersuchen.

Zum jetzigen Zeitpunkt wird die vertikale Ausbreitung der durch die VB erzeugten Aerosolschichten, die weit fort von ihrem Ursprung transportiert werden, in den globalen Klimamodellen mangelhaft abgebildet. Zur Verbesserung der Modelle hat ARM eines seiner mobilen Messlabors für die Atmosphäre im Rahmen des Programms Layered Atlantic Smoke Interactions with Clouds (LASIC) von Juni 2016 bis Oktober 2017 auf der Insel Ascension, ca. 1.600 Kilometer vor der westafrikanischen Küste, stationiert. An diesem Standort erfassten die Forscher Messungen zahlreicher Instrumente, um einen umfassenden Datensatz für zwei VB-Saisonen zusammenzustellen.

Mikropuls-LiDAR in der LASIC-Forschung

Die mobile ARM-Einrichtung auf Ascension Island

ARM rief das LASIC-Programm ins Leben, um Daten darüber zu sammeln, wie sich die Eigenschaften des Rauchs (d. h. seine Fähigkeit zur Absorption von Kurzwellenstrahlung) beim Zurücklegen langer Wege in der Atmosphäre verändern, und wie sich der Rauch auf Wolken auswirkt. Während Aerosolflächenmessungen mit verschiedenen Instrumenten möglich waren, wurden zur Untersuchung der vertikalen Struktur und der monatlichen und jahreszeitlichen Abweichungen der VB-Aerosolschichten, die auf die abgelegene Insel gelangen, Profilerstellungssysteme benötigt.

„Eine der MPL-Funktionen, die für LASIC entscheidend ist, ist seine Fähigkeit zur Doppelpolarisation, welche die Unterscheidung zwischen Schichten aus Rauch-, Staub- und Meersalzpartikeln über Ascension erlaubt“, erklärt Paytsar Muradyan vom Argonne National Laboratory. „Außerdem sind die mobilen ARMLaboratorien häufig in entlegenen Weltgegenden im Einsatz, und MPL kann unbeaufsichtigt kontinuierliche Beobachtungen von Wolken und Aerosolen vornehmen.”

Auslöschungsprofile von einem Tag der MPL-Beobachtungen (15.08.2018) zeigen eine sinkende Rauchschicht über 21 Stunden von ungefähr 2,8 km um 00 Uhr bis ungefähr 1,8 km um 21 Uhr.

Während des gesamten LASIC-Programms wurden rohe MPL-Messungen bestehend aus Profilen rückgestreuter Signale von Partikeln in der Atmosphäre durchgeführt. Das ARM Data Center (ADC) zeichnete stündlich Rohdaten zusammen mit den MPL-Korrekturen auf, und zur Validierung der Ergebnisse wurden standardisierte NetCDF-Dateien archiviert.

Die Auswertung der monatlichen Abweichungen der Abbauprofile bietet erste Einblicke in die Entwicklung der vertikalen Aerosolstruktur vor und während der VB-Saison und die Höhe der über Ascension schwebenden Rauchschichten. Während der Zeit (Juni bis Oktober), in der im Süden Afrikas Felder abgebrannt werden, sind hohe Aerosolkonzentrationen, die sich auf den Energiehaushalt der Erde und die Eigenschaften der Wolken auswirken, an der Tagesordnung.

Die MPL-Daten zeigen, dass sich die Rauchschicht am Beginn der Abbrennsaison im Juli vor allem über Wolken der Grenzschicht in Höhen zwischen 1,5 und 3 Kilometern befindet, aber bis September auf 4 Kilometer ansteigt. Das Vorhandensein von VB-Rauchschichten fällt mit den Spitzenkonzentrationen von schwarzem Ruß (> 1.000 Nanogramm/Kubikmeter) zusammen, die auf der Oberfläche gemessen werden. Das lässt den Schluss zu, dass diese Aerosole stark absorbierend wirken, weil ihre Rückwärtstrajektorien nahelegen, dass sie von denselben kontinentalen VB-Regionen ausgehen.

„Die während des LASIC-Programms gesammelten Daten verbessern unser Verständnis von der Vertikalverteilung und Strahlungswirkung der Aerosole“, erläutert die leitende LASIC-Forscherin Paquita Zuidema. „Dadurch können wir genauere langfristige Klimavorhersagen treffen und nachhaltige Lösungen für Energie- und Umweltprobleme entwickeln.“

Intensivierung der Atmosphärenüberwachung

Rauch umhüllt die erste mobile ARM-Einrichtung an einem trüben Tag auf Ascension Island im Südatlantik.

MPL-Instrumente unterstützen Wissenschaftler, Meteorologen und Luftgüteverantwortliche bei der Überwachung von Aerosolen, um so ein tiefergehendes Verständnis für die Struktur unserer Atmosphäre zu gewinnen. Die hohe Reichweite und Signalqualität von MPL erhöht die Effizienz und Genauigkeit des Datenerfassungsprozesses und dient so der Verbesserung der Atmosphärenüberwachung. Ursprünglich von Sigma Space für die NASA entwickelt, ist die MPL-Technologie nun Teil des Produktportfolios von Hexagon. Mithilfe von augensicheren Lasern, Präzisionsphotonenzählern und integrierter Datenauswertung liefert MPL derzeit die zuverlässigsten Informationen in diesem Bereich.