Aerosole, winzige Schwebeteilchen in der Luft, spielen eine wichtige Rolle bei der Wetter- und Klimaprognose, da sie die Wolkenbildung und den Niederschlag beeinflussen und einen Teil der Sonnenstrahlen reflektieren. Je nach Zusammensetzung, Größe und Höhe greifen sie auf komplexe Weise in den Energiehaushalt der Erde ein, indem sie abwechselnd kühlend oder wärmend wirken.
Die Ozeane, die mehr als 70% der Erdoberfläche bedecken, könnten die natürliche Quelle von Aerosolen sein, die den größten Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Erde haben - das Gleichgewicht zwischen der empfangenen Sonnenenergie und der ins All zurückgeworfenen Infrarotenergie, die die globale Temperatur der Erde bestimmt. "Die Menge der produzierten Aerosole ist jedoch noch immer nicht genau bekannt, was eine große Quelle der Unsicherheit in Klima- und Wettermodellen darstellt", erklärt Julia Schmale, Professorin am Forschungslabor für extreme Umgebungen (EERL) - Ingvar Kamprad Lehrstuhl. Zusammen mit Kollegen aus anderen Institutionen [1] hat sie ein innovatives System aus handelsüblichen Geräten entwickelt, mit dem Aerosole und der Zustand des Ozeans in Beziehung gesetzt werden können. Das Gerät ist für den Einsatz an Bord eines Schiffes vorgesehen und zeichnet gleichzeitig die Aerosolkonzentrationen in der Umgebung, die atmosphärischen Bedingungen und die Morphologie der Wellen auf. Die Wissenschaftler sammelten ihre ersten Daten in der Arktis und veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Atmospheric Environment.
Ein kostengünstiges Gerät, das auch auf anderen Schiffen eingesetzt werden kann.
Es ist natürlich kein Zufall, dass das Wissenschaftlerteam, das durch ein Forschungsstipendium des Imaging Centre der EPFL unterstützt wird, sich an Bord eines Eisbrechers unter den unwirtlichen Bedingungen der Barents- und Karasee am Rande des Nordpols begeben hat: "In der Arktis sind die Aerosolemissionen sehr unterschiedlich. Insbesondere gibt es immer weniger gefrorenes Meer, mehr treibende Eisschollen und einen offenen Ozean. Wir erwarten daher in den kommenden Jahren sehr starke Veränderungen", erklärt Julia Schmale.Daten über Meeresaerosole werden derzeit von Satelliten oder Observatorien an der Küste erfasst, aber die Analyse dieser Daten erlaubt nur eine Annäherung. Das in dieser Studie vorgeschlagene System erfasst die Daten über den Zustand des Meeres mithilfe von zwei handelsüblichen Kameras, die auf dem Deck des Schiffes angebracht sind. Die kombinierten Bilder ermöglichen eine stereoskopische Sicht, die trotz des Stampfens die Oberfläche in 3D rekonstruieren kann. Algorithmen bewerten die Morphologie der Wellen (Höhe, Tiefe, Art des Bruchs usw.) und setzen sie in Beziehung zu Messungen von Aerosolen und Daten über die untere Schicht der Atmosphäre (Temperatur, Niederschlag, Wind usw.). "Dieses Verfahren hat es uns ermöglicht, eine hervorragende zeitliche Auflösung im Sekundenbereich für die Messungen in der Atmosphäre und im Ozean zu erreichen".
Bevor wir diese Daten in Klimamodelle einfließen lassen können, brauchen wir viele Studien wie diese über die Ozeane hinweg, da die Bedingungen je nach Jahreszeit, Wetter und Ort sehr unterschiedlich sind
Julia Schmale, Professorin am Forschungslabor für extreme Umgebungen
Schätzen Sie die Aerosolmenge mithilfe von Daten aus dem Ozean und der Atmosphäre.
Die Analyse der Ergebnisse ermöglicht einen ersten Einblick in die physikalischen Variablen (Meereszustand, Wind und atmosphärische Stabilität), die die Aerosolproduktion in dieser nördlichen Region während der Sommermonate beeinflussen. "Um das neue Gerät zu validieren, war der erste Schritt, zu bestätigen, dass, wie die Logik vermuten lässt, die Aerosolemissionen stark mit den Eisbedingungen korrelieren: Wenn der Wasseranteil höher und der Eisanteil niedriger ist, werden wir mehr Aerosolemissionen haben. Und wenn das Eis kompakt ist, gibt es im Sommer viel weniger direkte Emissionen. Aber wir planen, noch viel mehr zu erfahren", merkt die Professorin an.Die Analyse der Ergebnisse hat auch gezeigt, dass die Aerosolkonzentration stark von der Stabilität der untersten Schicht der Atmosphäre moduliert wird. Diese ist turbulenten Luftströmungen ausgesetzt, insbesondere in der Nähe der Wasseroberfläche, wenn sich Wellen bilden. Durch die Kombination von Wellen- und Atmosphärendaten haben die Wissenschaftler eine Formel gefunden, mit der sie die Menge an Aerosolen vorhersagen können. Ein erster Schritt in Richtung einer besseren Quantifizierung dieser Störfaktoren in Klimamodellen? "Ja, aber bevor wir diese Daten integrieren können, brauchen wir viele Studien wie diese über die Ozeane hinweg, da die Bedingungen je nach Jahreszeit, Wetter und Ort sehr unterschiedlich sind". Selbst der Südpol ist aufgrund der viel stärkeren Winde nicht mit seinem nördlichen Cousin vergleichbar. Das für diese Studie entwickelte kostengünstige Messsystem könnte jedoch problemlos auf vielen Schiffen installiert werden, um kontinuierlich Daten rund um den Globus zu erfassen.
Referenzen
Alireza Moallemi, Alberto Alberello, Iris Thurnherr, Guangyu Li, Zamin A. Kanji, Filippo Bergamasco, Roman Pohorsky, Filippo Nelli, Alessandro Toffoli,J ulia Schmale: Links between atmospheric aerosols and sea state in the Arctic Ocean. Atmospheric Environment. DOI: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120844[1] School of Mathematics, University of East Anglia, Norwich, United Kingdom, Institute for Atmospheric and Climate Science, Department of Environmental Systems Science, ETH, Zürich, Switzerland, Department of Environmental Sciences, Informatics and Statistics, Ca’ Foscari University of Venice, Venice, Italy, Department of Infrastructure Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Australia.
