Røg fra de sorte sommer-brande i Australien påvirkede klimaet, vinde i stor højde på den sydlige halvkugle

Skogbrandene i 2019/20 i Australien transporterede mere røg ind i atmosfæren end nogensinde før, hvor som helst i verden. I den såkaldte Sorte Sommer nåede tre gange så mange partikler høje luftlag som ved de tidligere rekordstore naturbrande i Canada i løbet af sommeren 2017. To analyser ledet af Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) afslører nu klimapåvirkningen af ​​disse enorme brande:Røgpartikler med en samlet masse på omkring en million tons spredte sig over den sydlige halvkugle og påvirkede klimaet i omkring halvandet år ved at opvarme den øvre atmosfære og afkøle den nedre atmosfære tæt på Jordens overflade.

Fra subtroperne til Antarktis blev sollys dæmpet endnu mere end under vulkanen Pinatubos udbrud i 1991. Røgen har formentlig også bidraget til det rekordstore ozonhul over Antarktis i 2020 og dannede en hvirvel på 1.000 kilometer i diameter, der passerede over det sydlige Halvkugle i flere uger, hvilket betragtes som det første bevis på, at røg fra naturbrande også kan ændre højhøjdevinde i stratosfæren. Da sådanne ekstreme brande forventes at blive hyppigere på grund af klimaændringer, er det meget vigtigt at overveje røgen og dens virkninger på Jordens energibalance i klimascenarier, skriver forskerne i tidsskriftet Atmospheric Chemistry and Physics i> (ACP ).

Optag skovbrande i Australien

Mellem september 2019 og januar 2020 brændte næsten dobbelt så meget område som i enhver anden ekstrem brand i Australien, der er dokumenteret til dato. Brandene toppede mellem 29. december 2019 og 4. januar 2020, hvorfor de nu i videnskabelig litteratur omtales som Australian New Year Super Outbreak (ANYSO) og i daglig tale kendt som Black Summer bushfires.

På grund af den høje varme blev der dannet 38 brandskyer (Pyrocumulonimbus, forkortet PyroCb), som transporterede røgen til store højder med ti gange hastigheden af ​​en elevator. Mere end halvdelen af ​​disse PyroCb-skyer transporterede røgpartiklerne direkte op til en højde på 14 til 16 kilometer ind i den nedre stratosfære. Som ved et vulkanudbrud gælder det samme for naturbrande:Jo højere partiklerne når, jo længere spreder de sig, og jo mere langvarig er deres effekt på klimaet. Partikler i de nedre atmosfæriske lag skylles normalt hurtigt ud af nedbør (inden for dage til få uger) og har derfor ringe effekt på klimaet.

Naturbrandene i det sydøstlige Australien udsendte omkring 1 million tons røgpartikler til atmosfæren omkring årsskiftet 2019/20. Det er cirka fire gange så meget som ved tidligere års skovbrande. Røgpartiklerne spredte sig gennem de midterste breddegrader på den sydlige halvkugle i løbet af få dage på grund af de høje vinde og indeholder blandt andet sod-aerosol.

Disse mørke partikler absorberer solenergi og er blandt de stærkeste opvarmende kortlivede klimakræfter. Røg fra sådanne ekstreme skovbrande er dog endnu ikke tilstrækkeligt repræsenteret i aerosolklimamodeller. Et internationalt forskerhold ledet af TROPOS har derfor analyseret sorte sommers naturbrande for bedre at forstå virkningen af ​​sådanne begivenheder på klimaet.

Mange målinger på den sydlige halvkugle giver et forvirrende billede

Til deres undersøgelse brugte forskerne satellitdata for den optiske tykkelse af aerosollag (AVHRR fra National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) og CALIOP space lidar). De sammenlignede den atmosfæriske opacitet med solfotometermålingerne fra det internationale AERONET-netværk, som driver stationer i Punta Arenas (Chile), Amsterdam Island (Det Indiske Ocean), Marambio (nær den antarktiske halvø), Vechernaya Hill (Østantarktis) og ved Sydpolen bl.a. Desuden var de langsigtede observationer udført med to jordbaserede Raman-lidarer i Punta Arenas (Chile) og Río Grande (Argentina) på den sydligste spids af Sydamerika afgørende.

Disse målinger kan betragtes som repræsentative for den sydlige del af den sydlige halvkugle og tillod også sammenligninger med andre ekstreme naturbrande på den nordlige halvkugle. Begge målinger havde oprindeligt forskellige videnskabelige formål:Lidar-observationerne i Punta Arenas fandt sted som en del af DACAPO-PESO-kampagnen (Dynamics, Aerosol, Cloud And Precipitation Observations in the Pristine Environment of the Southern Ocean) fra november 2018 til november 2021. Hovedformålet med denne målekampagne fra University of Magallanes (UMAG), TROPOS og Leipzig University var at studere aerosol-sky interaktionsprocesser under de rene forhold på den sydlige halvkugle.

Lidar-observationerne i Río Grande var en del af HALO-missionen SOUTHTRAC-GW (Southern Hemisphere Transport, Dynamics, and Chemistry-Gravity Waves), hvor et stort internationalt hold ledet af German Aerospace Center (DLR) undersøgte atmosfæriske tyngdekraftsbølger i syd Amerika med forskningsflyet HALO i september 2019. DLRs Compact Rayleigh Autonomous Lidar (CORAL) blev også brugt, hvilket gav vigtige data om røgens optiske egenskaber mellem 15 og 30 kilometers højde. Den store mængde data gjorde det muligt at observere et nyt fænomen, at sammenligne naturbrandene med tidligere rekordstore naturbrande i Nordamerika og også at etablere forbindelser til ozonhullet:

En unik røghvirvel

Det har længe været kendt, at naturbrande nærmest skaber deres eget vejr, men et nyt fænomen blev observeret i forbindelse med Black Summer-brandene i januar–marts 2020:En selvopretholdende hvirvel med en diameter på omkring 1.000 km og en lodret udstrækning på ca. 5 km. Denne ekstremt stabile hvirvel var ved i stratosfæren i over 13 uger, krydsede Stillehavet mod øst inden for to uger og svævede over spidsen af ​​Sydamerika i mere end en uge.

Dette blev efterfulgt af en 10-ugers rejse rundt om verden i vestlig retning, der kunne spores i mere end 66.000 km i begyndelsen af ​​april 2020. Hvirvelen transporterede røg og fugt op til en højde på 35 km - en højde, der ikke nåedes af troposfærisk aerosoler siden udbruddet af vulkanen Pinatubo. Denne hvirvel fangede røgpartiklerne og forhindrede dem i at blive spredt og fortyndet. Absorptionen af ​​solstråling af røgen i midten førte til opvarmning og cirkulation mod uret, som et højtryksområde på den sydlige halvkugle.

"Intet som dette er blevet observeret før. Dette er det første bevis på, at røg også forårsager ændringer i vinden i stratosfæren og åbner op for en helt ny retning af videnskabelig forskning. Naturbrandenes indflydelse på atmosfæren kan være meget større, end vi tidligere troede ," understreger Dr. Albert Ansmann fra TROPOS.

ANYSO som ny rekordholder

Lidar-målinger fra TROPOS fra tidligere år gjorde det muligt at sammenligne naturbrandene i Australien med to andre store brande:De rekordstore naturbrande i Canada (Pacific Northwest Event, PNE) i august 2017 havde kun transporteret omkring en tredjedel af aerosolmassen ind i øvre stratosfære til sammenligning. Under denne begivenhed kunne røgen fra fem brandskyer over British Columbia observeres over Europa indtil januar 2018.

Ekstremt kraftige brande opstod også i juli/august 2019 i Sibirien nord og nordøst for Baikal-søen (SIberian Lake Baikal Event, SILBE), hvor der ikke blev observeret brandskyer. Røgen steg derfor formentlig langsomt til store højder via solstråling inden for en uge. Gennem lidar-målinger på forskningsisbryderen Polarstern kunne røg fra disse brande observeres i regionen omkring Nordpolen under den internationale MOSAiC-ekspedition mellem oktober 2019 og maj 2020.

Røgen fra de canadiske naturbrande i 2017 (PNE) omfattede omkring 0,3 millioner tons materiale, dannede et lag på omkring 1 til 4 kilometer tykt, steg til en højde på 20 kilometer og svævede i atmosfæren i omkring 8 måneder. Røgen fra de sibiriske naturbrande (SILBE) i 2019 dannede et lag på omkring 7 til 10 kilometer tykt, steg til en højde på 18 kilometer og forblev suspenderet i atmosfæren i omkring 5 måneder.

Røgen fra de australske naturbrande i 2019/20 (ANYSO) omfattede omkring 1 million tons materiale, dannede et lag på omkring 10 til 14 kilometer tykt, steg til en højde på 24 kilometer og svævede i atmosfæren i omkring 20 måneder.

"De australske naturbrande i 2019/20 er absolut de naturbrande med den største indvirkning på atmosfæren og det globale klima til dato. Dimensionerne kan sammenlignes med udbruddet af Pinatubo i Filippinerne i 1991. På det tidspunkt nåede partiklerne højder på 25 kilometer og svævede i atmosfæren i omkring 14 måneder. Kun størrelsen på partiklerne adskiller sig væsentligt:​​Vulkanens askepartikler, med en diameter på omkring 1 mikrometer, var omkring dobbelt så store som røgpartiklerne fra de australske naturbrande." rapporterer Albert Ansmann fra TROPOS.

Røg som katalysator for ozonhullet?

I 2020/21 blev der observeret tre hændelser med rekordstor ozonnedbrydning:Et ekstremt stærkt ozonhul dannet over det centrale Arktis i marts/april 2020 og yderligere ekstreme over Antarktis i henholdsvis september til november 2020 og 2021. Under alle tre begivenheder flød en usædvanlig stor mængde røg i atmosfæren i polarområderne, som det fremgår af lidar-målingerne.

Fra forskernes synspunkt er dette en klar indikation af sammenhænge, ​​da de observerede en klar overensstemmelse mellem laget med den kraftigste ozonnedbrydning over ozonsondernes stationer (14–25 km højde), laget med en øget ozonnedbrydning. partikeloverfladekoncentration over Punta Arenas (10-24 km højde) og det højdeområde, hvori CALIOP-satellitdataene detekterede polære stratosfæriske skyer (hovedsageligt over Antarktis i 13-26 km højde).

"Polære stratosfæriske skyer (PSC'er) er kendt for at have kemiske processer på deres overflader, som fremskynder ozonnedbrydning. Derfor har vi en stærk mistanke om, at røgen har ført til disse høje skyer, og at disse skyer igen har ført til en alvorlig ozonnedbrydning. Dette ville ikke være gode nyheder for befolkningen i og omkring polarområderne Hvis klimaforandringerne som forventet fører til hyppigere og mere alvorlige naturbrande, ville ozonhullerne brede sig over Arktis og Antarktis og med dem risikoen for hudkræft, " forklarer Kevin Ohneiser fra TROPOS.

Kølende effekt som et stort vulkanudbrud

Dataene blev også brugt til en simulering med den moderne globale aerosolklimamodel ECHAM6.3-HAM2.3. Denne model bruger en aerosolmikrofysikmodel til at beskrive udviklingen af ​​forskellige aerosoltyper. Dette gør det muligt at estimere deres indflydelse på atmosfærens strålingsbalance:Modelsimuleringerne bestemte en varmeeffekt i den øvre atmosfære (TOA) på +0,5 watt per kvadratmeter på den sydlige halvkugle og +0,25 watt per kvadratmeter globalt. Ved Jordens overflade (bunden af ​​atmosfæren, BOA) blev solstrålingskraften estimeret til at være omkring -0,75 watt pr. kvadratmeter under klar himmel. Dette svarer til den afkølende effekt forårsaget af et stort vulkanudbrud.

"Vi var overraskede over, hvor meget naturbrandene i det sydøstlige Australien øgede opaciteten af ​​de øvre luftlag på den sydlige halvkugle, og dermed ændrede strålingsbalancen. Disse ændringer påvirkede klimaet på den sydlige halvkugle i halvandet år. de kan i det væsentlige tilskrives kun fire dages røg fra pyrokonvektion," siger Dr. Bernd Heinold fra TROPOS.

Naturbrande bliver vigtigere for klimamodeller

Naturbrandaerosolens indvirkning på energibalancen ved brande med så høje brandskyer er formentlig hidtil blevet undervurderet i modeller, da den lodrette røgfordeling er afgørende for den strålingseffekt, men der har været ringe viden om denne naturbrandegenskab. "Sådanne forbedringer er essentielle for ethvert estimat af Jordens energibalance og klimatilstand. Derfor bliver det stadig vigtigere at sætte klimamodeller i stand til bedre at kunne håndtere naturbrandes påvirkning af atmosfæren, da de forventes at stige i hyppighed og sværhedsgrad. verdensomspændende som reaktion på menneskeskabt klimaopvarmning," forklarer prof. Ina Tegen fra TROPOS.

"Den øgede risiko for alvorlige naturbrande er relateret til ekstrem tørke. Hyppigere og intense ekstreme vejrforhold øger også sandsynligheden for, at disse meget højtrækkende brandskyer vil dannes hyppigere i fremtiden." Rekordstor brande som den i Australien i 2019/20 kan gentage sig i andre regioner i verden i de kommende år og få en stigende indflydelse på det globale klima. + Udforsk yderligere

Australiens 'Black Summer'-brande påvirkede ozonlaget:undersøgelse