Der Rauch kanadischer Waldbrände hängt seit Wochen über Deutschland

Riesige Waldbrände in Kanada haben Millionen Hektar Wald zerstört, mehr als 100.000 Einwohner vertrieben und die Luftqualität von Millionen Menschen in Nordamerika beeinträchtigt. Die Spuren dieser ökologischen Katastrophe sind auch in der Atmosphäre über Deutschland zu spüren.

Seit Mitte Mai zeichnen Forscher des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) dünne Rauchschichten in Höhen zwischen 3 und 12 Kilometern über Leipzig auf. Der Nachweis, dass es sich bei den Partikeln um Rauch von Waldbränden handelt, wurde durch eine neue Technik ermöglicht: Rauchpartikel sind biologischen Ursprungs und leuchten, wenn sie mit UV-Licht eines Lasers beleuchtet werden.

Dadurch lassen sie sich deutlich von anderen Partikeln wie Vulkanpartikeln oder Saharastaub unterscheiden. Der Ursprung der Rauchschichten konnte anhand von Luftströmungen bis nach Nordamerika zurückverfolgt werden. Verwandte Forschungsergebnisse wurden in drei verschiedenen Artikeln veröffentlicht, einer zum Thema EGUSphere Pre-Print-Server, einer in Atmosphärische Messtechnikenund einer in Atmosphärenchemie und Physik.

„Es ist beeindruckend und erschreckend zugleich zu sehen, welche Ausmaße diese Waldbrände inzwischen erreicht haben: Wenn in Kanada und den USA wochenlang Wälder brennen, leiden nicht nur die Menschen dort unter dieser Katastrophe. Die Atmosphäre über Europa.“ ist ebenfalls betroffen: In den hohen, normalerweise wolkenfreien Luftschichten scheinen sich durch die Rauchpartikel dünne Schleierwolken zu bilden“, berichtet Benedikt Gast vom TROPOS, der im Rahmen einer Doktorarbeit die aktuellen Messungen betreut und auswertet.

Im Gegensatz zu Nordamerika, wo im Juni unter anderem die Metropolen der Ostküste tagelang in Rauch gehüllt waren und ein Feinstaubalarm ausgelöst wurde, stellt der Rauch aus Nordamerika in Europa sicherlich kein Gesundheitsrisiko dar. Der Rauch lagert sich in großen Höhen ab und ist mittlerweile stark verdünnt. Allerdings hat es Auswirkungen auf die Atmosphäre und das Klima: Die Sonnenstrahlung wird an den Partikeln gestreut und das Licht dadurch leicht gedimmt.

Ähnlich wie beim Saharastaub kann der Himmel auch leicht bewölkt aussehen. Darüber hinaus könnte der Rauch die Wolkenbildung in höheren Schichten der Atmosphäre beeinflussen. Das zumindest legen aktuelle Forschungsergebnisse nahe: Während der MOSAiC-Expedition in der Arktis im Jahr 2020 konnten TROPOS-Forscher ungewöhnlich viel Rauch in der Atmosphäre rund um den Nordpol messen und die Bildung von Zirruswolken in diesen Rauchumgebungen beobachten.

Eine aktuelle Studie aus Zypern zeigt, dass Rauchpartikel unter bestimmten Bedingungen als Keime für die Bildung von Eiskristallen dienen können. Zu diesem Zweck analysierten Forscher des Eratosthenes Center of Excellence, der Technischen Universität Zypern und des TROPOS Daten aus Limassol im Herbst 2020, als der Rauch schwerer Waldbrände in Nordamerika in den gesamten Mittelmeerraum von Portugal bis Zypern transportiert wurde.

Die damaligen Messungen lieferten eindeutige Hinweise darauf, dass gealterte Rauchpartikel bei etwa -50 °C eine Eisbildung am Übergang zwischen der feuchten Troposphäre und der trockenen Stratosphäre auslösten und so zur Bildung von Eiswolken führten.

„Auch unsere aktuellen Beobachtungen über Leipzig zeigen Hinweise auf einen solchen Zusammenhang. Bei mehreren Messungen in den letzten Wochen konnten wir in seiner Umgebung in Höhen von 10 bis 12 km Rauchschichten und Eiswolken (auch Cirruswolken genannt) beobachten Solche Rauchschichten bei starker Präsenz von Zirruswolken wurden nicht nur in Leipzig, sondern auch an verschiedenen Stationen in Europa beobachtet: Von Südwesten in Evora (Portugal) über Warschau (Polen) bis nach Kuopio (Finnland) im Nordosten.

„Der Rauch, der mehr Wolken verursacht, könnte im Kontext des Klimawandels einen neuen Wirkungspfad eröffnen, da Wolken abhängig von ihrer optischen Dicke, Phase und mikrophysikalischen Eigenschaften einen kühlenden oder wärmenden Effekt haben können. Je intensiver und häufiger Waldbrände sind.“ beeinflussen möglicherweise den atmosphärischen Strahlungshaushalt in noch unbekanntem Ausmaß. Dieses Potenzial motiviert uns, das Zusammenspiel von Waldbrandrauch und Wolkenbildung weiter zu untersuchen“, sagt Benedikt Gast vom TROPOS.

Aufgrund des Klimawandels nehmen Zahl und Intensität von Waldbränden zu und damit auch die Mengen an Aerosolen, die bei der Verbrennung von Biomasse in die Atmosphäre gelangen. Diese Aerosolpartikel können sich nicht nur in der Troposphäre verteilen, sondern sogar in die darüber liegende Stratosphäre gelangen und über lange Zeiträume und große Gebiete den Strahlungshaushalt und die Wolkenbedeckung der Erde beeinflussen.

„Seit Beginn der Waldbrandsaison 2023 auf der Nordhalbkugel haben wir Rauch in fast allen Schichten der Atmosphäre gesehen, auch in der unteren Stratosphäre. Aus Sicht der Atmosphärenwissenschaft ist dies ein besorgniserregender Trend: Die globale Erwärmung scheint nicht nur so zu sein Die Brände können zum Brand großer Wälder rund um den Polarkreis führen, aber diese Brände sind schwerwiegender und häufiger. Sie verändern auch unsere Atmosphäre erheblich und beeinflussen wiederum das Klima. Darüber hinaus gibt es neue Erkenntnisse, die darauf hindeuten, dass der Rauch auch die Umwelt stört Ozonschicht und stellen somit ein Gesundheitsrisiko für Millionen von Menschen dar“, erklärt Dr. Albert Ansmann vom TROPOS.

Um die Auswirkungen von Aerosolen auf das Klima vollständig zu verstehen und zu quantifizieren, ist eine genaue Aerosoltypisierung von entscheidender Bedeutung. Multiwellenlängenpolarisationslidare, wie sie das TROPOS an verschiedenen Standorten betreibt, sind in dieser Hinsicht sehr leistungsfähige Werkzeuge zur Erkennung und Klassifizierung von Aerosolen mit Parametern wie dem Lidarverhältnis, dem Depolarisationsverhältnis und dem Ångström-Exponenten. Es war jedoch schwierig, stratosphärischen Rauch von vulkanischem Sulfataerosol zu unterscheiden.

Aktuelle Studien haben gezeigt, dass Fluoreszenz-Lidar ein großes Potenzial zur Verbesserung der Aerosolklassifizierung hat, da es einen weiteren Parameter bereitstellt – die sogenannte Fluoreszenzkapazität (Verhältnis von Fluoreszenz-Rückstreuung zu elastischen Rückstreukoeffizienten). Deshalb haben die Forscher ihr großes, stationäres Atmosphären-Lidar am TROPOS in Leipzig erweitert: Das Multiwavelength Atmospheric Raman Lidar for Temperature, Humidity, and Aerosol Profiling (MARTHA) erhielt im August 2022 einen zusätzlichen Empfangskanal, der Fluoreszenzrückstreuung im Spektralbereich von messen kann 444–488 Nanometer.

Die Erfahrungen mit den Fluoreszenzbeobachtungen am TROPOS zeigen, dass es nicht nur großes Potenzial für die Aerosoltypisierung, sondern auch für das Auffinden von Rauchschichten überhaupt hat. „Da der neue Kanal nur auf Partikelstreuung empfindlich ist, eignet er sich hervorragend für die Aerosolprofilierung. Das haben mehrere Fälle bewiesen. Ein Fluoreszenzkanal im Lidar ist wie eine Lupe für Aerosolschichten“, berichtet Dr. Cristofer Jimenez vom TROPOS . „Besonders bei niedrigen Partikelkonzentrationen könnte der neue Ansatz interessante und völlig neue Ergebnisse liefern. Es gibt viel zu erforschen und von der Technik zu erwarten.“

In den nächsten Monaten soll ein leistungsstärkerer Laser folgen, mit dem sich auch höhere Atmosphärenschichten und geringere Konzentrationen untersuchen lassen. Sowohl die Station in Leipzig als auch die in Limassol gehören zu PollyNet, einem Netzwerk von Lidar-Systemen, die mit Laserstrahlen die Atmosphäre vom Boden aus untersuchen. Es ist Teil der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS, die Aerosole, Wolken und Spurengase untersucht.