Neue Forschungsergebnisse zu Megafire-Rauchfahnen klären, was sie enthalten, wie sie sich bewegen und welche möglichen Auswirkungen sie haben

In den letzten Jahren haben große, intensive Waldbrände, sogenannte Megabrände, zunehmend schwere Schäden an Wäldern, Häusern und Ernten verursacht. Neben Megabränden, die Menschen und Wildtiere gleichermaßen tödlich treffen, können sie auch den Klimawandel beeinflussen. Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung von Stephen Guimond vom UMBC geben Aufschluss darüber, wie die großen Rauchfahnen, die von Megabränden erzeugt werden, genauer modelliert und charakterisiert werden können, um unser Verständnis darüber zu verbessern, wie sie sich auf die Erde auswirken könnten.

Guimond, ein außerordentlicher Forschungsprofessor für Physik, arbeitete mit Wissenschaftlern des Los Alamos National Laboratory zusammen, um die langfristigen Auswirkungen von Rauchfahnen von Megabränden zu bestimmen. Ihre Ergebnisse, kürzlich veröffentlicht in der Journal of Advances in Modeling Earth Systems, demonstriert, wie frühere Forschung einen Modellgitterabstand verwendete, der Rauchfahnen nicht genau abtastet. Diese Ungenauigkeiten bei der Definition der Dynamik des Problems führen zu Fehlern bei der Interpretation der Eigenschaften des Rauchs, der vertikalen und horizontalen Bewegung der Wolke und möglicher klimatischer Auswirkungen.

Verfolgen, wie Rauch aufsteigt

Die Rauchfahnen von Megafeuern sind voluminös und können sehr hoch in die obere Atmosphäre steigen. Anfangs werden die Schwaden von konvektiven Zellen nach oben transportiert und wandern in die Stratosphäre, erklärt Guimond, der auch Wissenschaftler am Goddard Earth Sciences Technology and Research (GESTAR) II (früher bekannt als Joint Center for Earth Systems Technology) der UMBC ist.

„Sobald er in die Stratosphäre aufsteigt, kann der Rauch viele Monate dort bleiben, sogar bis zu einem Jahr oder länger. Die Tatsache, dass er so lange dort oben bleiben kann, bedeutet, dass Sie Auswirkungen auf die Sonnenstrahlung haben können, die die Oberfläche erreicht. “, sagt Gimond. „Wenn Sie dort oben eine große, dunkle Rauchdecke haben, wird sie den größten Teil des Sonnenlichts absorbieren, was dazu führt, dass weniger Sonnenlicht die Erdoberfläche erreicht. Aus diesem Grund könnten Sie über einen langen Zeitraum erhalten der Zeit, eine Abkühlung, die auf der Erdoberfläche stattfindet“, neben anderen Auswirkungen.

Drei Jahre lang untersuchten Wissenschaftler in Los Alamos die chemischen Eigenschaften von Rauchfahnen, indem sie Objekte wie Bäume in einer kontrollierten Umgebung verbrannten, um den prozentualen Kohlenstoffgehalt des Rauchs zu bestimmen. Die Wissenschaftler bewerteten atmosphärische Partikel oder Aerosole, die einen großen Einfluss auf das Klima haben. Guimond verwendete ein NASA-Klimamodell, um die Kohlenstoffeigenschaften der Rauchschwaden zu bestimmen, wie sie in die Atmosphäre aufsteigen und die zugrunde liegenden Ursachen der Rotation innerhalb der Schwaden.

„Die Messungen, die wir untersucht haben, umfassten Partikeltypen, das Spektrum der Partikel und ihre Größe“, sagt Guimond. „Wir haben uns auch die Beiträge verschiedener chemischer Spezies wie Ruß, organischer Kohlenstoff und anderer chemischer Verbindungen angesehen, die aus brennenden Materialien stammen.“

Bewertung früherer Rauchfahnenforschungen

Die Farbe des Rauchs ist laut Guimond ein wichtiger Faktor, da verschiedene Raucharten unterschiedliche Strahlungseigenschaften haben. Weißer Rauch besteht hauptsächlich aus organischem Kohlenstoff: hell gefärbte Aerosolpartikel, die die Strahlung zum großen Teil zurück in die Atmosphäre reflektieren. Schwarzer Rauch besteht hauptsächlich aus schwarzem Kohlenstoff: dunkel gefärbte Aerosolpartikel, die Strahlung absorbieren.

Die Forscher stellten fest, dass frühere Modelle die Kohlenstoffarten in den Rauchfahnen nicht genau erfassten, was zu Fehlberechnungen oder falschen Annahmen über den Prozentsatz des in den Rauchschwaden enthaltenen schwarzen Kohlenstoffs führte.

Da der schwarze Rauch Sonnenstrahlung absorbiert, erwärmt sich der Rauch, was einen Loft-Effekt erzeugen kann, der den Rauch höher in die Atmosphäre drückt. Je höher der Rauch aufsteigt, desto länger hält er sich in der Stratosphäre auf. Je länger es dort bleibt, desto mehr Zeit hat es, auf die Erdoberfläche einzuwirken. Dies bedeutet, dass eine ungenaue Charakterisierung des Prozentsatzes von Ruß im Rauch von Waldbränden zu ungenauen Berechnungen des Lofting-Effekts, der Höhe der Fahne und der stratosphärischen Lebensdauer sowie der klimatischen Auswirkungen führen kann.

Grenzen in der Art und Weise, wie frühere Forschungen die Atmosphäre darstellten, führten auch zu weniger genauen Rauchfahnensimulationen, sagte Guimond. Er stellt fest, dass frühere Forschungen zur Rauchfahne „eine grobe Darstellung der Rauchfahne in den Modellberechnungen verwendet haben, was erhebliche nachgelagerte Auswirkungen auf alle anderen Komponenten dieses Problems hat, einschließlich der aus der Forschung gezogenen Schlussfolgerungen“.

Guimond hofft, dass seine Forschung das Verständnis der Dynamik dieses Problems verbessern kann: Verfolgung atmosphärischer Bewegungen und Kräfte in drei Dimensionen und wie Phänomene wie rotierende Rauchfahnen entstehen und zerfallen.

„Wissenschaftler müssen die Dynamik genau simulieren, um genauere Antworten auf die Aerosoleigenschaften innerhalb der Rauchfahnen zu erhalten“, sagt Guimond, „wie viel Rauch Ruß ist, wie lange er in der Stratosphäre hält, wie hoch er steigt und wie er sich auf die Strahlung der Erde auswirkt.“

Mit genaueren Modellen und Simulationen wird die zukünftige Forschung in der Lage sein, die Klimapolitik und die Reaktion auf Megabrände besser zu informieren.