Waldbrandrauch-Beobachtungen füllen die Lücke bei der Schätzung der Rolle von Ruß beim Klimawandel

Neue Forschungsergebnisse zur Verfeinerung der Menge an Sonnenlicht, die von Ruß im Rauch von Waldbränden absorbiert wird, werden dazu beitragen, eine seit langem bestehende Schwachstelle in Erdsystemmodellen zu beseitigen und eine genauere Vorhersage des globalen Klimawandels zu ermöglichen.

„Ruß oder Ruß ist nach CO2 und Methan das zweitstärkste klimaerwärmende Mittel, trotz einer kurzen Lebensdauer von Wochen, aber seine Wirkung in Klimamodellen ist immer noch höchst ungewiss“, sagte James Lee, Klimaforscher am Los Alamos National Laboratory und korrespondierender Autor der neuen Studie in Geophysikalische Forschungsbriefe auf Lichtabsorption durch Waldbrandrauch. „Unsere Forschung wird diese Unsicherheit beseitigen.“

Die Forschung in Los Alamos löst eine lange Zeit bestehende Diskrepanz zwischen den Beobachtungen der von Ruß im Rauch absorbierten Lichtmenge und der von Modellen vorhergesagten Menge, da Ruß mit anderen Materialien wie kondensierten organischen Aerosolen, die in Rauchwolken vorhanden sind, vermischt wird .

Das Team nutzte das Laborzentrum für forensische Aerosol-Gas-Experimente (CAFÉ) mit mehreren Instrumenten in Los Alamos, um über zwei Sommer im Westen der Vereinigten Staaten Rauchproben von mehreren Waldbränden zu nehmen, darunter das nahegelegene Medio-Feuer in New Mexico im Jahr 2020 und gealterte Rauchfahnen von Kalifornien und Arizona.

Das CAFÉ-Team arbeitet nun mit Kollegen des Pacific Northwest National Laboratory zusammen, um ihre validierten Parametrisierungen in das Energy Exascale Earth System Model (E3SM) des Energieministeriums zu integrieren. Dies wird den Klimaantrieb und die Rückkopplungen von Waldbränden besser bewerten.

Ruß, der von Fahrzeugen, Kraftwerken, Hausheizungen und Waldbränden ausgestoßen wird, ist ein starker Absorber der Sonnenstrahlung und wandelt einfallendes Licht in atmosphärische Erwärmung um.

„Waldbrände geben Ruß und organische Partikel ab, die das Sonnenlicht absorbieren bzw. streuen, um die Atmosphäre zu erwärmen oder zu kühlen, je nach Zusammensetzung der Rauchmischung mit unterschiedlichem Nettoeffekt“, sagte Manvendra Dubey, CAFÉ-Direktorin und Projektleiterin in Los Alamos. „Diese Vermischung entwickelt sich im Laufe der Zeit, wenn sich Rauch von großen Megabränden weltweit ausbreitet. Wir haben eine systematische Beziehung zwischen der Zunahme der Lichtabsorptionseffizienz von Ruß mit zunehmendem Alter aufgrund des Wachstums organischer Beschichtungen entdeckt.“

Die Entdeckung erfasst genau die komplexen Größen und Strukturen von Ruß, die derzeit in Modellen angenähert werden, sagte Dubey.

„Wir drängen darauf, es in Klimamodelle zu integrieren, um robuste Schätzungen der Erwärmung durch Lauffeuerruß zu liefern, insbesondere in der Arktis, die sich viermal schneller erwärmt als die Erde“, sagte Dubey.

„Während allgemein angenommen wird, dass Ruß eine Erwärmung verursacht“, sagte Lee, „ist seine Auswirkung auf das Klima nicht gut bekannt, da er mit anderen Arten von Partikeln in der Atmosphäre koexistiert.“

Diese Ungewissheit rührt zum Teil von einem mangelnden Verständnis dafür her, wie sich die lichtreflektierenden und -absorbierenden Eigenschaften von Ruß mit zunehmendem Alter entwickeln und einer komplizierten Chemie in den sich schnell ändernden atmosphärischen Bedingungen unterliegen, wenn sich der Rauch von Waldbränden ausbreitet. Die Wolke kann monatelang in der oberen Atmosphäre verweilen.

Während dieser Entwicklung bilden sich organische Aerosole und kondensieren um schwarze Kohlenstoffpartikel. Einige dieser Aerosole fokussieren das Licht auf den schwarzen Kohlenstoff und erhöhen dessen Absorption – aber wie viel Licht absorbiert wird, hängt von der Größe der Aerosole und davon ab, wie sie den Ruß beschichten.

Klimamodelle idealisieren derzeit diesen Mischungszustand von Rauch, sagte Dubey. Da die Modelle die Variation in organischen Beschichtungen basierend auf der Größe jedes Partikels nicht berücksichtigen, überschätzen die Modelle, wie viel Strahlung von Ruß absorbiert wird. Das führt zu großen Unsicherheiten und Verzerrungen in Bezug auf die Klimaauswirkungen von Waldbränden.

Die Einzelpartikelmodellierung liefert bessere Ergebnisse, ist aber zu rechenintensiv, um sie in Erdsystemmodelle wie E3SM einzubetten. Aus diesem Grund versuchten die Forscher von Los Alamos, Parameter für Ruß zu erstellen, die in Erdsystemmodelle integriert werden könnten, ohne die unerschwinglich hohen Rechenkosten für die Modellierung einer großen Anzahl von Partikeln zu verursachen.

Das Team von Los Alamos analysierte 60 Millionen Rauchpartikel, die vom 10 Meter hohen Probenturm von CAFÉ gesammelt wurden. Diese Beobachtungsmethode ermöglichte es ihnen, Schwankungen in der Menge der organischen Beschichtung auf jedem Partikel zu berücksichtigen – dem fehlenden Teil früherer Modelle. Mit den von CAFÉ gesammelten empirischen Daten verwendete das Team vorhandene Absorptionsmodelle, um zu bestimmen, wie viel Lichtenergie jedes Partikel absorbierte, und schlussfolgerte dann die gesamte Rußabsorption der Schwaden. Ihre Ergebnisse stimmten mit unabhängigen Messungen der Raucheigenschaften überein, die parallel durchgeführt wurden, während die Modellierung auf der Grundlage der idealisierten schwarzen Kohlenstoffpartikel nicht mit den Beobachtungen übereinstimmte. Die Ergebnisse von Los Alamos können hochskaliert werden, um atmosphärische Schwaden in globalen Klimamodellen darzustellen

Das Team fand heraus, dass es die Rußabsorptionsverstärkung aus dem Verhältnis des Beschichtungsmaterials zum Volumen des Rußes in der Wolke vorhersagen konnte. Dieses einfache Verhältnis kann in komplexe Erdsystemmodelle zur Bestimmung der Klimaauswirkungen von Ruß integriert werden.