Aerosole anhand des Seegangs quantifizieren
Aerosole sind winzige, in der Luft schwebende Partikel, die eine wichtige Rolle bei der Wolkenbildung, dem Niederschlag und der Rückstrahlung von Sonnenlicht in den Weltraum spielen. Quantitative Daten über Aerosole sind wichtige Faktoren bei der Erstellung von Wettervorhersagen und Prognosen zum Klimawandel. Je nach ihrer Zusammensetzung, Grösse und Höhe können Aerosole die Energiebilanz unseres Planeten auf komplexe Weise beeinflussen, indem sie die Atmosphäre entweder abkühlen oder erwärmen.
Die Ozeane, die über 70 % der Erdoberfläche bedecken, produzieren Gischt-Aerosole – die natürlichen Aerosole mit dem vielleicht größten Einfluss auf die Strahlungsbilanz des Planeten. «Die Menge der Aerosole, die von der Gischt produziert werden, ist noch immer unklar und stellt eine grosse Unsicherheit in den Wetter- und Klimamodellen dar», sagt Julia Schmale, Professorin am Extreme Environments Research Laboratory-Ingvar Kamprad Chair der EPFL in Sitten. Sie und ein Team von Wissenschaftlern anderer Universitäten[1] haben ein neuartiges System entwickelt, um mit handelsüblichen Kameras die Konzentration von Gischt-Aerosolen mit dem Zustand des Ozeans in Verbindung zu bringen. Ihr System, das für den Einsatz auf einem Schiff konzipiert ist, kann die Aerosolkonzentration in der Umgebung, die atmosphärischen Bedingungen und die Wellencharakteristik des Ozeans erfassen. Das Team sammelte seine ersten Daten auf einem Forschungsschiff im Arktischen Ozean und veröffentlichte seine Ergebnisse kürzlich in Atmospheric Environment.
Ein kostengünstiges System, das auf verschiedenen Schiffen eingesetzt werden kann
Für den ersten Einsatz ihres Systems wählten die Forschenden einen Eisbrecher, der in den rauen arktischen Gewässern unterwegs ist – insbesondere in der Barents- und Karasee in der Nähe des Nordpols – und das aus gutem Grund. «Die Bildung von Gischt-Aerosolen ist in dieser Region sehr unregelmässig, auch weil das Meereis schrumpft und immer mehr einzelne Schollen umherschwimmen und es jetzt mehr offenes Wasser gibt», sagt Schmale, «wir erwarten in den kommenden Jahren sehr deutliche Veränderungen.»
Heute werden die meisten Daten über Gischt-Aerosole von Satelliten oder von Küstenobservatorien gesammelt, aber die Analyse dieser Daten liefert nur einen Teil des Bildes. Um die Lücken zu schließen, sammelt das System der Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen auch Informationen über den Seegang mit Hilfe von zwei Standardkameras, die auf dem Deck des Schiffes montiert sind. Diese Kameras bieten den Forschenden eine stereoskopische Ansicht, die es ihnen ermöglicht, 3D-Bilder der Meeresoberfläche zu erstellen, selbst in kabbeligem Wasser. Algorithmen verarbeiten die Daten über die Welleneigenschaften (z B. Höhe, Steilheit und Alter) und kombinieren sie mit Aerosolmessungen und Daten über die atmosphärischen Bedingungen (z. B. Temperatur, Niederschlag und Windgeschwindigkeit). «Dieses Verfahren ermöglicht uns eine hervorragende zeitliche Auflösung von etwa einer Sekunde sowohl für die Meeres- als auch für die atmosphärischen Messungen», sagt Schmale, der für diese Forschung ein Stipendium des Zentrums für Bildgebung der EPFL erhalten hat.
Verwendung von Meeres- und atmosphärischen Daten zur Schätzung von Aerosolkonzentrationen
Die ersten Ergebnisse des Forschungsteams geben Aufschluss darüber, welche physikalischen Variablen (Seegang, Windgeschwindigkeit und atmosphärische Stabilität) die Aerosolproduktion der Gischt in diesem Teil der Arktis im Sommer beeinflussen. «Zur Validierung des neuen Aufbaus mussten wir zunächst unsere allgemein verbreitete Annahme bestätigen, dass die Aerosolproduktion in hohem Masse mit den Eisverhältnissen korreliert», sagt Schmale. «Mit anderen Worten: Es werden mehr Aerosole emittiert, wenn relativ viel Wasser und weniger Eis vorhanden ist. Und wenn das Eis kompakt ist, gibt es im Sommer viel weniger direkte Aerosolemissionen. Aber wir könnten noch viel mehr herausfinden.»
Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Aerosolkonzentrationen der Meeresgischt stark von der Stabilität der marinen Grenzschicht, der untersten Schicht der Atmosphäre über dem Meer, beeinflusst werden. In dieser Schicht herrschen turbulente Luftströmungen, insbesondere in der Nähe der Wasseroberfläche, wenn sich Wellen bilden. Durch die Kombination von Daten über Wellencharakteristika mit denen über atmosphärische Bedingungen entwickelten die Wissenschaftlerinnen eine Formel zur Vorhersage von Aerosolkonzentrationen. Könnten die Forschenden auf diese Weise Aerosole aus der Gischt genauer in ihre Klimamodelle einbeziehen? Ja, aber zunächst sind mehr Studien wie die unsere an verschiedenen Ozeanen erforderlich», sagt Schmale, «die Bedingungen können je nach Jahreszeit, Wetter und genauem Standort sehr unterschiedlich sein». So können die Ergebnisse vom Nordpol nicht auf den Südpol übertragen werden, da die Winde in der Antarktis viel stärker sind. Das kostengünstige und einfach zu installierende System der Wissenschaftler könnte jedoch in Zukunft problemlos auf zahlreichen Schiffen eingesetzt werden, um Daten aus allen Teilen der Welt zu sammeln.
