Wirkung von Staub und Rauch auf westliche Dürre „wahrscheinlich ähnlich“ zu afrikanischer Studie, sagt Autor

Ein Student der University of Alabama in Huntsville (UAH) sagt, dass seine Untersuchung des kombinierten Einflusses von Staub und Rauch auf die Temperaturen der Oberflächenatmosphäre in Subsahara-Afrika wahrscheinlich auf die Bedingungen im amerikanischen Westen zutrifft, der sich jetzt in seiner schlimmsten Dürre seit über 1.200 Jahren befindet.

Staub kommt von Natur aus, aber der meiste Rauch stammt von menschlichen Aktivitäten oder möglicherweise von Menschen verursachten Faktoren wie Waldbränden.

Im Westen bilden Staub und Wüstenbildung wahrscheinlich eine positive Rückkopplungsschleife, die aufgrund geringerer Schwankungen zwischen Tages- und Nachttemperaturen zur Austrocknung führt, sagt Christopher Phillips, Doktorand in Atmosphärenwissenschaften an der UAH, einem Teil des Systems der Universität von Alabama.

In einer Studie veröffentlicht in der Journal of Geophysical Research: Atmosphärenfand Phillips heraus, dass dies mit atmosphärischen Oberflächentemperaturen in Afrika passiert, wo die Sahara an Größe zunimmt.

„Rauch ist jedoch etwas anders. Rauch kühlt tagsüber, ohne die Nacht zu erwärmen. Dadurch wird ein Teil der Rückkopplung entfernt“, sagt Phillips, der von Dr. Udaysankar Nair, außerordentlicher Professor für Atmosphärenwissenschaften, beraten wird. „Wir haben festgestellt, dass in Afrika Staub über Rauch dominiert, also glaube ich nicht, dass es das Gesamtbild der Oberflächenerwärmung verändern würde.“

Die kleinen dunklen Kohlenstoffpartikel des Rauchs blockieren sehr gut das Sonnenlicht, das Wissenschaftler kurzwellige Strahlung nennen. Da sie weniger als zwei Zehntel Mikrometer groß sind, interagieren die kleinen Partikel nicht sehr stark mit dem, was Wissenschaftler als langwellige Strahlung der Erde bezeichnen, die die Sonnenenergie des Planeten zurückstrahlt.

„Wenn Rauch also dicht ist, kühlt er tagsüber stark ab, weil er das Sonnenlicht blockiert, aber er ändert nichts am nächtlichen Energiehaushalt, weil Rauchaerosole nicht mit der langwelligen Strahlungsemission der Erde interagieren“, sagt Phillips.

Während sich seine Arbeit auf die Oberflächenerwärmung konzentriert, kommentierte Phillips auch die Auswirkungen der Ergebnisse.

„Konzeptionell stabilisieren sowohl Staub als auch Rauch die Atmosphäre während des Tages, wodurch es weniger wahrscheinlich wird, dass sich Wolken bilden“, sagt er. „Ohne Wolken gibt es keinen Regen. Außerdem zeigen andere Studien, dass afrikanische Regenfälle in einem saisonalen Zyklus auftreten, der an die Temperatur des Atlantischen Ozeans gebunden ist. Wenn Staub und Rauch über den Ozean geweht werden, kühlen sie das Wasser, was die saisonalen Regenfälle über Subsahara-Afrika weniger wahrscheinlich machen könnte.

Wenn Staub nachts wärmt, kann die Menge an Tau, die sich auf Pflanzen bildet, reduziert werden, was sie mehr stresst, sagt Phillips.

„Wenn Pflanzen absterben, kann mehr Staub in die Atmosphäre geschleudert werden, was die Atmosphäre stabilisiert und die Nacht noch mehr erwärmt. Dies ist das Herzstück der Rückkopplungsschleife“, sagt er.

Staub hat viel größere Partikel als Rauch. Sie können mehrere Mikrometer groß sein, und Staub blockiert das Sonnenlicht wie Rauch, aber er absorbiert auch einen Bruchteil der Wärmestrahlung der Erde.

„Diese absorbierte Fraktion geht nicht in den Weltraum, sondern wird stattdessen zurück zur Oberfläche abgestrahlt. Im Wesentlichen wirkt Staub wie eine Decke, die den Boden nachts isoliert.“

Ähnlich verhält sich das Treibhausgas CO2, und das war eine der Motivationen für die Forschung von Phillips.

„Wie können wir an diesen trockenen, staubigen Orten die Auswirkungen von Staub von der Erwärmung durch Treibhausgase trennen? Wir haben festgestellt, dass Sie mit Wettermodellen quantifizieren können, wie viel nächtliche Erwärmung durch Staub verursacht wird, aber Sie müssen Kombinationen aus Rauch und Rauch betrachten Staub“, sagt Phillips.

„Das liegt daran, dass zu viel Rauch bedeutet, dass Sie Ihre Tage ohne den Deckeneffekt in der Nacht abkühlen“, sagt er. „Wir fanden heraus, dass die Abkühlung am Tag stärker wird als die Erwärmung in der Nacht, wenn der Rauch mehr als etwa die Hälfte ausmacht.“

Um diese Effekte in Afrika zu untersuchen, verwendete Phillips einen Computermodellierungsansatz mit einem einspaltigen Wettermodell, das nur vertikale Prozesse wie den Energietransfer in der Atmosphäre betrachtet. Er verwendete den Hochleistungs-Computing-Cluster Matrix von UAH.

„Es ist nicht ganz ein Supercomputer wie in den großen nationalen Labors, aber es ist nah dran“, sagt Phillips. „Insgesamt hatten wir, glaube ich, fast 5.000 Simulationen zu analysieren, was ohne einen Hochleistungsrechner nicht möglich gewesen wäre.“

Das Modell wurde durch Paarung von Wetterballon- und Aerosolmessungen aus dem Dust Biomass-burning Experiment 2006 entwickelt, bei dem Flugzeuge zur Messung der vertikalen Struktur von Staubrauchfahnen über Afrika und Wetterballondaten von zwei Forschungsstandorten des US-Energieministeriums und der NASA verwendet wurden im Niger.

„Wir haben zwei breite Prozesse gefunden, die die Oberflächentemperatur modifizieren. Erstens sind die Strahlungsprozesse, über die wir bereits gesprochen haben, bei denen Aerosole das Sonnenlicht blockieren, aber die Wärmestrahlung der Erde einfangen“, sagt Phillips.

„Die zweite hängt damit zusammen, wie Aerosole die Atmosphäre stabilisieren. Die Luft nahe der Oberfläche ist als planetarische Grenzschicht bekannt. Sie wächst, wenn Hitze an der Oberfläche turbulente Wirbel erzeugt, die die Atmosphäre durchmischen, aber das Hinzufügen von Staub und Rauch hält die Grenzschicht flach . Durch das Einfangen von Wärme in einer kleineren Schicht steigen die Oberflächentemperaturen.“

Phillips stellte fest, dass dieser Effekt mit dem durch Staub und Rauch erzeugten Schatten konkurriert und die Reaktion der Tagestemperatur auf Staub verkompliziert. Nachts jedoch wirken Strahlungs- und Grenzschichteffekte zusammen, um eine Erwärmung zu verursachen.

„Diese beiden Prozesse werden gleich sein, egal ob Sie hier in den USA oder in Subsahara-Afrika sind“, sagt Phillips.

Obwohl die Atmosphäre ein sehr komplexes und sich ständig weiterentwickelndes System ist, sagt Phillips, dass die anhaltende Dürre im Westen der USA viele positive Rückkopplungsschleifen erzeugt, die sie aufrechterhalten, wie eine Abnahme der Pflanzendecke, die beide die Wasserdampfbewegung vom Boden in die Luft verringert und erhöht auch atmosphärische Staubbelastungen. Beide Effekte können die Regenwahrscheinlichkeit verringern.

„Ich würde sicherlich erwarten, dass eine anhaltende Dürre zu einer Ausdehnung der US-Wüsten führt und vielleicht sogar halbtrockene Regionen in trockene verwandelt“, sagt er.

Auf der positiven Seite ist die westliche Landwirtschaft in der Regel gut bewässert, und laut Phillips zeigen Untersuchungen, dass die Praxis dazu beiträgt, den Niederschlag zu erhöhen.

Große Klimamuster werden ebenfalls helfen, sagt er. Zyklen wie El Nino und La Nina verändern den Niederschlag in den USA erheblich und können lokale Faktoren wie Staub und Rauch überwältigen.

„Natürlich ist die Natur unglaublich komplex und Staub und Rauch sind nur ein Teil des Puzzles“, sagt Phillips.

„Deshalb ist es so wichtig, den wissenschaftlichen Fortschritt weiter voranzutreiben und immer umfassendere Studien durchzuführen, die jedes Teil zusammen betrachten“, sagt er. „Ich bin stolz sagen zu können, dass unser Papier ein Schritt in diese Richtung ist, indem es zusammenführt, wie Aerosole sowohl den Strahlungstransport als auch das Wachstum der Grenzschicht beeinflussen.“