Ableitung der Waldbrandintensität aus der Quarzlumineszenz

Am 8. Juni 2020 entzündete sich das Mangum-Feuer 16 Meilen nördlich des Nordrands des Grand-Canyon-Nationalparks. Als das Feuer etwa einen Monat später weitgehend eingedämmt war, hatte es über 70.000 Hektar Land niedergebrannt.

April Phinney, M.Sc. Als Kandidat an der Utah State University begann er sofort mit der Erstellung einer Karte der Brandintensität auf der Grundlage von Fernerkundungsdaten. Sechs Monate später setzte sie Stiefel auf den verbrannten Boden und begann, Bodenproben zu sammeln, in der Hoffnung, diese würden Quarzkörner enthalten.

Diese Forschung würde die Grundlage dafür bilden eine Präsentation gehalten von Phinneys Beraterin Tammy Rittenour am Sonntag, 15. Oktober im GSA Connects 2023 der Geological Society of America treffen.

Quarz ist vielleicht das am häufigsten vorkommende Mineral auf der Erde, aber es ist alles andere als langweilig. Der Schwerpunkt von Phinneys Forschung lag auf der Fähigkeit von Quarz, zu lumineszieren (also Licht auszusenden). Wenn ein Mineral ionisierender Strahlung ausgesetzt wird, geben einige seiner Atome ein Elektron ab. Meistens fallen diese Elektronen schnell zu ihrem Mutteratom zurück.

Aber in Quarz gibt es oft strukturelle Defekte im Kristall (z. B. ein Titan- oder Natriumatom ersetzt ein Siliziumatom oder ein fehlender Sauerstoff), die „positive Fallen“ erzeugen. Die ausgestoßenen Elektronen können somit zu einem dieser Defekte gezogen werden, der sie für Millionen von Jahren festhält („einschließt“) – oder bis der Kristall Licht oder Hitze ausgesetzt wird.

Wenn dies geschieht, wird das Elektron aus dem strukturellen Defekt befreit und kann in einen niedrigeren Energiezustand fallen (z. B. wenn einem Atom ein Elektron fehlt), wobei ein Photon freigesetzt wird und die Lumineszenzuhr zurückgesetzt wird.

Datierungsanwendungen nutzen dieses Lumineszenzsignal, um festzustellen, wann das Mineral das letzte Mal Licht oder Hitze ausgesetzt war. In dieser Studie war das Alter des Feuers bereits bekannt, und die Forscher verwendeten stattdessen eine Messung der Lumineszenzempfindlichkeit (pro Strahlungsdosis erzeugtes Licht), um Quarzkörner zu identifizieren, die erhöhter Hitze ausgesetzt waren, was die Lumineszenzeigenschaften verstärkt.

Natürlich übertragen Waldbrände eine enorme Hitze auf den Boden, den sie dem Erdboden gleichmachen; Es wurde daher konzeptionell davon ausgegangen, dass die Intensität der Quarzlumineszenz in Sedimenten, die Waldbränden ausgesetzt waren, höher sein sollte. Dies war jedoch noch nie zuvor in der Praxis getestet worden, und Phinney machte sich zum ersten Mal daran, dies zu tun. Mithilfe von Lumineszenzmessungen aus vom Feuer betroffenen Boden testete sie den Zusammenhang zwischen der Schwere der Verbrennung und der Lumineszenzintensität.

Vor Ort sammelte Phinney Bodenproben innerhalb des Brandbereichs in verschiedenen Brandintensitätszonen. Um das Grundlumineszenzniveau des Quarzes zu ermitteln, sammelte sie laut Aufzeichnungen des US Forest Service auch einige Proben außerhalb des Feuerbereichs in Gebieten, die seit mindestens 70 Jahren nicht mehr gebrannt hatten.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass Bodenproben, die in von Waldbränden betroffenen Gebieten entnommen wurden, stärker lumineszieren als Bodenproben, die außerhalb des Brandbereichs entnommen wurden. Auch der Unterschied zwischen den Bereichen mit der Schwere der Verbrennungen ist deutlich zu erkennen: Proben mit hoher Verbrennungsintensität leuchten bis zu doppelt so stark wie Proben mit mittlerer Verbrennungsintensität. Phinneys Feldtests zeigen, dass die Intensität von Waldbränden in der Stärke der Quarzlumineszenz aufgezeichnet wird.

Wenn die Intensität der Quarzlumineszenz ein Fingerabdruck der Feuerbelastung in Oberflächenböden ist, kann sie zur Beurteilung vergangener Feuerintensitäten verwendet werden. Karten der Brandintensität gibt es nur für sehr junge Brände, aber die Intensität der Quarzlumineszenz kann uns dabei helfen, in die Zeit von bis zu zwei Millionen Jahren zurückzublicken. Diese Daten können als Proxy für Brandregime verwendet werden, ein Maß dafür, wie häufig und intensiv natürlich auftretende Waldbrände in einem bestimmten Ökosystem über einen langen Zeitraum auftreten.

Das Verständnis dieser Muster ist der Schlüssel zum Verständnis und zur Vorhersage aktueller und zukünftiger Brandregime, mit wichtigen Auswirkungen auf die Gefahrenkartierung und Strategien zur Risikominderung im gesamten Südwesten der Vereinigten Staaten.