Kalifornischer Rauch trübte im Herbst 2020 die Sonne bei uns

Vergleich mit Bodenmessungen belegt: ESA-Windsatellit Aeolus liefert auch wertvolle Daten zum Aerosol in der Atmosphäre

Der Rauch der extremen Waldbrände im September 2020 an der US-Westküste zog über viele Tausend Kilometer bis nach Leipzig, wo er noch Tage danach die Atmosphäre beeinflusste. Ein am 01.06.2021 in den Geophysical Research Letters (CC BY 4.0) veröffentlichter Vergleich von Boden- und Satellitenmessungen des zeigt: Das Waldbrandaerosol trübte die freie Troposphäre über Leipzig so stark wie nie zuvor. Die Auswertung eines internationalen Forschungsteams unter Leitung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung e.V. (TROPOS) ergab am 11.09.2020 eine außergewöhnliche optische Dicke, die das Sonnenlicht um ein Drittel abgeschwächt hat.

Rauchwolke der kalifornischen Waldbrände 2020 – Foto © ESA, CC BY-SA 3.0 IGO (enthält modifizierte Copernicus Sentinel-Daten, commons.wikimedia.org

Die Untersuchung ist die erste Publikation, die durch den Vergleich mit Lidar*)-Messungen vom Boden aus zeigen konnte, dass der neuartige ESA-Satellit Aeolus neben Wind auch Aerosole in der Atmosphäre zuverlässig messen kann. An der Studie waren das Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM) der Universität Toulouse, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) beteiligt.

*) Mit LiDAR-Messtechnik werden u.a. horizontale und vertikale Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen mittels eines Laserstrahls gemessen. Dieser wird an Aerosolen reflektiert und in veränderter Frequenz reflektiert. Genutzt wird dabei das Prinzip eines Lichtradars (kurz: Lidar von „Light Detection And Ranging“). Ein Signal wird abgestrahlt und die Reflexion gibt Auskunft über Ort und Entfernung. Der Dopplereffekt wird dann genutzt um die Windgeschwindigkeit in den verschiedenen Höhen der Atmosphäre zu messen.

Seit August 2018 kreist ein neuartiger nach dem griechischen Gott des Windes benannter Forschungssatellit um die Erde. Ziel von Aeolus ist es, aktiv Wind vom All aus zu messen und so die Wettervorhersage zu verbessern. An Bord dieses ESA-Satelliten befindet sich mit dem „Atmospheric Laser Doppler Instrument“ (ALADIN) ein Hochleistungslaser. ALADIN ist das erste Instrument im Weltraum, das aktiv vertikale Profile der Windgeschwindigkeit messen kann. Um die Laser-Messungen im All zu validieren, werden sie mit Laser-Messungen vom Boden aus verglichen. Dabei sind mehrere Forschungsgruppen aus Deutschland im Rahmen der EVAA-Initiative (Experimental Validation and Assimilation of Aeolus observations) beteiligt. TROPOS beispielsweise misst mit seinen Lidar-Geräten jeden Freitagabend und Sonntagmorgen, wenn der Aeolus-Satellit über Leipzig fliegt. Anschließend können dann die Daten von Boden und All verglichen werden. Am 11.09.2020 ergab sich so die seltene Konstellation, dass die mächtige Rauchfahne der kalifornischen Waldbrände über Leipzig vom Boden und aus dem All gleichzeitig vermessen werden konnte.

„Aeolus ist derzeit der einzige Satellit weltweit, der mit revolutionärer Lasertechnologie sowohl Profile der horizontalen Windgeschwindigkeit als auch die Rückstreuung und Extinktion von Aerosolen und Wolken unabhängig voneinander messen kann. Damit liefert der Satellit wertvolle Informationen über die Strahlungseigenschaften dieser Rauchaerosole“, betont Sebastian Bley vom TROPOS, der die vergangenen drei Jahre am Forschungszentrum ESRIN der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Aeolus-Projekt mitarbeitete. „Es wird erwartet, dass diese einzigartige Konfiguration zu verbesserten Vorhersagen solcher globaler  Rauchausbreitung – aber auch allgemein des Wetters beiträgt.“

Im September 2020 gelangte der Rauch der extremen Waldbrände an der US-Westküste durch die hohen Temperaturen bis in große Höhen und wurde dann mit dem Jetstream über Nordamerika und den Atlantik bis nach Europa transportiert. In Leipzig tauchte die Rauchschicht am Morgen des 11.09.2020 in rund 12 Kilometer Höhe auf und sank im Laufe des Tages auf rund 5 Kilometer Höhe ab. Das zeigen die Daten des PollyXT-Lidars am TROPOS. Lidar-Messungen in Leipzig bestätigten die starke Trübung des Sonnenlichts an diesem Freitag: „Es war – gemessen an der Aerosol Optische Dicke (AOT) – die stärkste Beeinflussung der freien Troposphäre durch Waldbrandaerosole, also der Region der Atmosphäre in der sich das Wetter abspielt aber der direkte Einfluss vom Boden gering ist, die jemals in Leipzig seit Beginn der regelmäßigen Lidar-Beobachtungen im Jahr 1997 beobachtet wurde“, berichtet Holger Baars vom TROPOS. „Wir konnten eine mittlere Massenkonzentration des Waldbrandaerosols von 8 ?g/m3 zwischen 4 und 11 km Höhe abschätzen. In der Spitze waren es sogar 22 ?g/m3 – das ist für diese Höhen schon beachtlich.“ Der Samstag und Sonntag waren trotz wolkenlosen Himmels trübe Tage. Wie stark die Rauchschichten die Sonneneinstrahlung in Sachsen dämpften, zeigte u.a. auch der UV-Index des Bundesamts für Strahlenschutz (BfS): Die TROPOS-Station in Melpitz bei Torgau registrierte am 12.09.20 mittags ca. ein Viertel weniger UV-Strahlung als bei wolkenlosem Himmel möglich gewesen wäre. Besonders einprägsam zeigte sich der außergewöhnliche Zustand der Atmosphäre bei Sonnenuntergang mit einem markanten milchig-gelben Licht.

Per Computermodell konnten die Forschenden die Herkunft des Rauchs bestätigen: Die Rückwärtssimulation beweist, dass die Luftmassen, die am Mittag des 11.09. in 8,5 km Höhe über Leipzig eintrafen, von der Westküste Nordamerikas stammten, wo es Tage zuvor intensiv gebrannt hatte. Die Häufigkeit und Stärke der Waldbrände in Kalifornien nahm in der ersten Septemberwoche weiter zu. Etwas schwächere Brände wurden in Oregon, Washington und Montana beobachtet. „Aufgrund der vorherrschenden Winde betrug die Reisezeit des Rauchs von der US-Westküste nach Europa nur rund 3 bis 4 Tage. Die rund 3.000 Kilometer über den Atlantischen Ozean zwischen Neufundland und Irland schafften die Luftmassen mit Hochgeschwindigkeit sogar an nur einem Tag (9.9.)“, erklärt Martin Radenz vom TROPOS.

Erdbeobachtungssatelliten sind in den letzten Jahrzehnten zu einem wichtigen Instrument der Umweltforschung geworden, die den Klimawandel global dokumentieren. Der Bedarf an kontinuierlichen Daten einerseits und die begrenzte Lebenszeit von Satelliten anderseits stellt die Forschung jedoch vor große Herausforderungen: „Die Messung des Lidar-Verhältnisses (ein Hinweis auf den Aerosoltyp) mit Aeolus direkt aus dem Weltraum ist ein Novum und katapultiert die Forschung zu Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in eine neue Ära“, unterstreicht Ulla Wandinger vom TROPOS. „Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass Aeolus teilweise in der Lage ist, die Lücke zwischen der auslaufenden CALIPSO-Mission der NASA und der kommenden EarthCARE-Mission zu schließen.“ EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) ist eine japanisch-europäische Gemeinschaftsmission, welche die Wirkungen von Wolken und Aerosol-Partikeln auf den Strahlungshaushalt der Erde untersuchen soll. Der Start des Satelliten ist für Anfang 2023 geplant. „Aeolus wurde zur Windmessung konzipiert. Dass er auch Daten zu Partikeln liefert, ist ein sehr willkommenes Nebenergebnis. In Situationen, wenn die Zusammensetzung der Aerosolschichten weniger eindeutig ist, wäre es aber hilfreich, auch die Polarisation messen zu können. Da das Laserlicht bei der Reflexion auf Mineralstaub, Vulkanasche oder Waldbrand-Aerosol unterschiedlich gedreht wird, lässt sich so besser bestimmen, woher die Partikel stammen, welche die Sonnenstrahlung und die Wolkenbildung beeinflussen. EarthCARE wird dies können. Wir drücken daher auch für diesen Satelliten fest die Daumen“, so Wandinger. (Tilo Arnhold)

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