Waldbrände: Rußpartikel in der Stratosphäre können das Klima beeinflussen

Große Mengen von Rußpartikeln aus Waldbränden können in der Stratosphäre zu starker lokaler Erwärmung führen und das regionale Klima beeinflussen.

Waldbrände, wie sie derzeit in Kalifornien wüten, haben große Auswirkungen auf die Umwelt. Die unkontrollierten Feuer zerstören nicht nur riesige Waldflächen und bewohnte Gebiete. Sie beeinträchtigen auch stark die lokale und regionale Luftqualität. Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Yafang Cheng und Hang Su vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz stellte nun fest, dass die Auswirkungen der Waldbrände auf die Atmosphäre möglicherweise noch stärker sind als bisher angenommen. Die Forscher entdeckten, dass große Mengen Rußpartikel, die durch unvollständige Verbrennung während Waldbrände freigesetzt werden, durch die Troposphäre hindurch bis in die unterste Schicht der Stratosphäre in einer Höhe von etwa 10 Kilometern transportiert werden können.

Die Waldbrände in Kalifornien. Foto: NASA/Earth Observation
Die Waldbrände in Kalifornien. Foto: NASA/Earth Observation

Hohe Konzentrationen von dick beschichteten Rußteilchen

In den Rauchwolken war die Rußkonzentration mehr als 20-mal höher als in der Hintergrundatmosphäre. Zudem waren die meisten Rußpartikel mit einer dicken Schicht aus anderen chemischen Substanzen bedeckt, wodurch der Kern der Rußpartikel mehr Licht absorbiert. Die hohen Konzentrationen und die dicke Beschichtung der Rußpartikel weisen darauf hin, dass sich die unterste Stratosphäre lokal stark erwärmen kann, was wiederum das regionale Klima erheblich beeinflussen kann. Die Ergebnisse der Studie wurden nun in der US-amerikanischen Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.Für ihre Untersuchungen bauten die Wissenschaftler ein speziell entwickeltes Rußpartikel-Fotometer (SP2) in einen Luftfrachtcontainer an Bord eines Airbus A340-600 der deutschen Lufthansa ein. Dieses Instrument kann sowohl einzelne Rußpartikel messen als auch die Konzentration und die Beschichtung dieser Aerosole bestimmen. Diese Aerosole zählen zu den größten Einzelfaktoren, die zur globalen Erwärmung beitragen.Die Messungen fanden auf 22 Flügen zwischen Europa und Nordamerika von August 2014 bis Oktober 2015 statt. Während 230 Flugstunden sammelte das Gerät Aerosoldaten in einer Höhe von 10 bis 12 Kilometern. Die Untersuchungen waren Teil des CARIBIC-Projekts*, dessen Ziel es ist, die Zusammensetzung und die chemischen und physikalischen Prozesse der Atmosphäre sowie den Klimawandel mithilfe eines Passagierflugzeuges zu untersuchen.

Stärkerer Klimaeffekt von Ruß in der Stratosphäre

„In der Stratosphäre können Rußpartikel eine wesentlich stärkere Klimawirkung haben als in niedrigeren Höhen. Dies liegt an der stärkeren Sonneneinstrahlung, der verstärkten Rückstreuung der Strahlung durch Wolken und der langen Verweilzeit der Partikel,“ sagt Yafang Cheng, leitende Wissenschaftlerin des CARIBIC-SP2-Projektes und Leiterin einer unabhängigen Minerva-Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Chemie. „Durch starke Konvektion und spezifische Wetterbedingungen können Waldbrandemissionen in die unterste Stratosphäre transportiert werden, in der wir während zahlreicher interkontinentaler Flüge hochwertige Messdaten gesammelt haben“, ergänzt Jeannine Ditas. Ditas ist Postdoktorandin in der Gruppe von Cheng und führte die SP2-Messungen durch.

Längere warme Jahreszeiten, trockenere Böden und Vegetation sowie veränderte Niederschlagsmuster führen in vielen Teilen der Erde zu häufigeren Waldbränden. Diese werden zudem länger und intensiver. „Um zu quantifizieren, wie Waldbrände die Atmosphäre beeinflussen und um unser Verständnis des gegenwärtigen und zukünftigen Klimawandels zu verbessern, sind langfristige und weitreichende Messungen unerlässlich“, hält Yafang Cheng fest.

„Als nächsten Schritt planen wir, die Beobachtungen auf Afrika und Asien auszudehnen, wo es sehr häufig zu Wald- und Savannenbränden kommt“, fügt Hang Su hinzu. Su ist ebenfalls leitender Wissenschaftler der Studie, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie und Professor an der Jinan-Universität in Guangzhou in China. Su und Cheng planen die gewonnenen Messdaten auch auf den Verbleib der Aerosole in der Stratosphäre und ihrer Wechselwirkungen mit Wolken zu analysieren.

*CARIBIC steht für „Civil Aircraft for the regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container“, ein ziviles Flugzeug für die regelmäßige Untersuchung der Atmosphäre mit Hilfe eines Instrumentencontainers. CARIBIC ist Teil des „In-service Aircraft for a Global Observing Systems“ (IAGOS) der Europäischen Forschungsinfrastruktur.

Das IAGOS-CARIBIC Projekt besteht aus folgenden Partnern: Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Karlsruhe, Germany; Max Planck Institute for Chemistry (MPIC), Mainz, Germany; Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS), Leipzig, Germany; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Germany; University of East Anglia (UEA) Norwich, Great Britain; Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI), de Bilt, the Netherlands;University of Lund, Lund, Sweden; University of Bern, Bern, Switzerland; Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), Gif-sur-Yvette, France;Helmholtz Zentrum Geesthacht, (HZG), Geesthacht, Germany; Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg (IUP), Heidelberg, Germany;Institute for Reference Materials and Measurements (IRMM), Geel, Belgium;Deutsche Lufthansa AG (DLH), Köln, Germany; Enviscope GmbH, Frankfurt, Germany; European Aeronautic Defence and Space company N.V. (EADS), München, Germany;aircraft electronic engineering gmbh (AEE), Seefeld, Germany