STAUBTEUFEL UND STANDSTÜRME Unbekannte Größen im Klimasystem

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1 STAUBTEUFEL UND STANDSTÜRME Unbekannte Größen im Klimasystem Prof. Peter Knippertz 1 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

2 Gliederung! Staub als Aerosol! Rolle von Aerosolen im Klimasystem! Der globale Staubhaushalt! Emission, Staubsturmtypen, Transport, Deposition! Auswirkungen von Staub! Strahlung, Wolken, Ökosysteme, Mensch! Messung und Modellierung! In situ und vom Satellit! Staub in Wetter und Klimamodellen! Abschließende Bemerkungen 2 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

3 Staub als Aerosol: Was genau sind Aerosole?! Aerosol = Gemisch aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen (=Aerosolpartikeln) und einem Gas.! In der Atmosphäre gibt es natürliche und menschgemachte Aerosolpartikel, z.b.:! Staub (Wüsten, Gletscher, Landwirtschaft, Industrie)! Seesalz! Ruß- und andere Partikel aus verbrennender Biomasse! Fossile Brennstoffe (Verkehr, Kraftwerke etc.)! Bergbau, Industrie! Biosphäre (Pollen, Sporen, Bakterien, Viren)! Chem. Reaktionen (Gase, Flüssigkeiten) -> sekundäres Aerosol! Vorindustrielle Aerosolpopulation unzureichend bekannt. 3 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

4 Klima-Effekte von Aerosolen! Aerosole beeinflussen das Klima auf zwei Hauptarten:! Wechselwirkung mit Strahlung (direkter Effekt, global dimming)! Wechselwirkung mit Wolken (verschiedene indirekte Effekte)! Menschgemachte Aerosole erzeugen somit einen Klimaantrieb Emitted compound Resulting atmospheric drivers Radiative forcing by emissions and drivers Level of confidence IPCC 2013 Short lived Aerosols and precursors (Mineral dust, SO 2, NH 3, Organic carbon and Black carbon) Mineral dust Organic carbon Sulphate Nitrate Black carbon Cloud adjustments due to aerosols [-0.77 to 0.23] [-1.33 to -0.06] H L Radiative forcing relative to 1750 (W m 2 )! Zum Vergleich: CO 2 -Antrieb ~1.68 W/m 2 4 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

5 Staub als Aerosol: Nr. 1 weltweit in puncto Masse Image credit: William Putman, NASA/Goddard 5 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

6 Staub als Aerosol: Was genau ist Staub?! Winzige Bodenkörnchen aus (semi-)ariden Gebieten! Typischer Ø: µm! Fallstrecke für 5-µm Korn: ca. 1 km pro Woche?! Zusammensetzung: Quartz, Feldspat, Kalzit, Hämatit, Tonminerale etc. aus Kandler, Knippertz et al. (2007, Atmos. Env.) 6 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

7 Der globale Staubhaushalt: Quellen Natürliche Quellen: ~2000 Mt pro Jahr Ginoux et al. (2001, JGR) Anthropogene Quellen: Landwirtschaft, Bergbau, Industrie 7 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

8 Der globale Staubhaushalt: Anthropogener Anteil Dust emissions Name Climate Land use PD HT PCHL HCPL Tg/a North Africa Tg/a North America Tg/a PD HT PCHL HCPL Australia Stanelle et al PD HT PCHL HCPL PD HT PCHL HCPL 8 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

9 Der globale Staubhaushalt: Haupttransportwege Optische Dicke atmosphärischer Partikel Kaufman et al. (2005, JGR)! Abgeschätzter Transport: Afrika Atlantik 140 Mt / Jahr Afrika Amazonas Afrika Karibik 50 Mt / Jahr 50 Mt / Jahr 9 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

10 Der globale Staubhaushalt: Emissionsmechanismen aus Shao et al Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

11 Der globale Staubhaushalt: Emissionsschwellwert u*t! Kleine Partikel: feste Bindung im Boden (Coulomb, Van der Waals-Kräfte etc.) u* ~ u(z)ln(z/z 0 ) mit z 0 : Rauigkeitslänge! Große Partikel zu schwer! Mittlere machen Saltation aus Marticorena Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

12 Der globale Staubhaushalt: Emissionsmenge! Emittierter Staub hängt von einer Vielzahl von Bodenparametern ab:! Größenverteilung! Chemische Zusammensetzung! Bodenfeuchte! Krustenbildung (z.t. biologisch)! Vegetationsbedeckung und -typ! Rauigkeitselemente! Schneebedeckung! Ein Großteil dieser Parameter ist nicht im Detail bekannt und muss abgeschätzt werden! Es gibt erhebliche kleinräumige und zeitliche Variabilität 12 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

13 Der globale Staubhaushalt: Staubsturmtypen Räumliche Skalen reichen von kontinental zu wenigen Metern Aus Knippertz & Fink (2006, QJ) Hauptursache sind die Tiefs und Hochs der mittleren Breiten, gut verstanden! von NASA Kaum verstanden! 13 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

14 Der globale Staubhaushalt: Low-level jets Beobachtungen aus der Sahara (Chicha, Tchad) aus Todd et al. (2008, JC) 14 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

15 Der globale Staubhaushalt: Low-level jets aus Schepanski et al. (2009, JGR) 2/3 aller Staubstürme zwischen 06 und 09 UTC 15 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

16 Der globale Staubhaushalt: Low-level jets aus Knippertz (2008, MZ) Maximale Böen am Morgen! 16 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

17 Der globale Staubhaushalt: Haboobs Haboob (Arab: starker Wind): Durch Verdunstungskälte und Reibung von Niederschlag erzeugte Abwinde/Dichteströmung! Häufiges Auftreten! Schwer zu beobachten und zu modellieren! from Knippertz et al. (2007, JGR) 17 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

18 Der globale Staubhaushalt: Haboobs 18 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

19 Der globale Staubhaushalt: Haboobs! Staub! Der! Rolle! Emission 19 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

20 Der globale Staubhaushalt: Staubteufel! Kleine vertikale Wirbel in Bodennähe! Typischer : m! Winde in 2m: 3 15 m/s! Bildung: Konzentration von Rotation in einer aktiven Grenzschicht! Es gibt auch nicht-rotierende, langlebige dusty plumes mit größeren Ø, aber weniger Staub! Abschätzung des globalen Beitrags zur Staubemission: bis zu 35% von NASA 20 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

21 Staubteufel aus Raasch und Franke (2011, JGR) 21 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

22 Staubteufel aus Raasch und Franke (2011, JGR) 22 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

23 Der globale Staubhaushalt: Deposition dn/dln(d) or dm/dln(d) (%) 1 e-02 1 e-03 1 e-04 1 e-05 Initial Mass distribution Initial number distribution Dry deposition velocity Scavenging coefficient in der Wolke Brownsche Molekularbewegung turbulente Transporte unter der Wolke Gravitation cm.s s -1 1 e Diameter (µm) aus Bergametti und Forêt, Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

24 Der globale Staubhaushalt: Deposition aus Bergametti und Forêt, Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

25 Auswirkungen von Staub: Strahlung! Staub reflektiert Sonnenlicht Abkühlung! Staub absorbiert thermische Strahlung vom Erdboden Erwärmung! Dunkle Stäube können Sonnenlicht absorbieren! Sehr sensibel im Hinblick auf Größenverteilung, Form, chem. Zusammensetzung und Eigenschaften der Erdoberfläche von NASA 25 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

26 Auswirkungen von Staub: Streuung scattering phase function of an actual particle atmosphere stronger sideward scattering differences of factor 2 to 3 in sideward scattering sphere Gaussian random sphere forward backward actual particle Earth s surface Scattering phase function for particles of different composition, shape and structure aus Lindqvist et al. 2014, ACP 26 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

27 Auswirkungen von Staub: Wolken! Phasenübergänge in Wolken finden üblicherweise nicht spontan statt, sondern benötigen Kondensations- bzw. Eiskeime dust! Staub ist der wichtigste Eiskeim in der Atmosphäre! Reiner Staub ist wasserabweisend, aber chemische Anlagerung kann Staub zum Kondensationskeim machen K. Kandler, TU Darmstadt ice! Veränderungen in Wolkentyp, Tropfengröße, Lebensdauer etc. beinflussen Strahlung und damit Klima 27 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

28 Auswirkungen von Staub: Eisnukleation In situ aerosol formation sulphuric acid, organics Aged aerosol coating Ice saturation ratio immersion freezing of solutions homogeneous freezing of solutions 220 deposition nucleation Most efficient IN and CCN removed by Precipitation? CCN Solid particles, ice nucei Soluble particles (sulphates, nitrates, organics) Temperature (K) immersion/ condensation freezing contact freezing homogeneous freezing of cloud droplets von Ottmar Möhler, IMK, KIT 28 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

29 Auswirkungen von Staub: thermodynamische Effekte Absorption erwärmt die Atmosphäre und kühlt die Erdoberfläche Höhere vertikale Stabilität Reduzierte relative Feuchte Auswirkungen auf Wolken und Niederschlag Unterdrückung von Hurricane- Intensivierung?? T z T z 0 29 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

30 Auswirkungen von Staub: Schnee- und Eis-Albedo Staub auf Gletschern und Schnee reduziert deren Helligkeit mehr Schmelzen Klima Gornergletscher nach dem Staubausbruch im Mai Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

31 Auswirkungen von Staub: Düngung von Ökosystemen! Staub enthält Eisen und Phosphor und düngt daher Ökosysteme! Wirkung hängt von der Löslichkeit des Eisens ab! Beispiel: Planktonblüte! Amazonasregenwald hängt von Düngung mit Saharastaub ab! Kohlenstoffzyklus Klima NASA, Visible Earth 31 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

32 Auswirkungen von Staub: Luftchemie! Staub bietet eine Oberfläche für luftchemische Reaktionen! Z.B. Säuberung durch Aufnahme und Deposition von Säuren! Anti-korrelation Staub Ozon aus Bonasoni et al. (2004, ACP) 32 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

33 Auswirkungen von Staub: Gesundheit und Verkehr! Asthma! Meningitis! Transport von Mikroorganismen! Flugsicherheit! Straßenverkehr aus Sultan et al. (2005, PMED) Flughafenschließung Sydney September Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

34 Messung und Modellierung: Beobachtungen! In situ: Kaum Routinemessungen in Quellregionen!! Kurzzeitige Feldkampagnen (Boden und Flugzeug)! Aerosolfilter! Depositionsfallen! Analyse von Regenwasser! Bodengestützte Fernerkundung: kaum in Quellregionen!! Sonnenphotometer! Lidarmessnetzwerke! Satelliten: Flächendeckend, aber viele offene Fragen!! Geostationäre und umlaufende Satelliten! Wellenlängen (sichtbar, UV, IR) -> nur Aerosol optische Dicke! Aktive Fernerkundung mit Lidaren -> Vertikalprofile! Probleme mit Wolken, Bodenalbedo, optische Eigenschaften etc. 34 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

35 Messung und Modellierung: Beobachtungen! Staub! Der! Rolle! Emission 35 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme von Liu et al. 2008

36 Messung und Modellierung: Modellierung! Staub wird zunehmend als aktive Komponente in Wetterund Klimamodelle eingebaut! Klimasimulationen! Emission, Transport und Deposition mit Modellwind und regen! Z.T. erhebliche Unsicherheiten -> Kalibrierung mit Messungen! Strahlungsantrieb und Rückkopplungen! Biogeochemische Auswirkungen! Wolkenmikrophysik i.a. zu unsicher und kompliziert! Wettervorhersage! Im Prinzip wie oben! Z.T mit Mikrophysik! Assimilation von Satellitenbeobachtungen 36 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

37 Beispiel April 2014 von Bernhard Vogel IMK, KIT 37 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

38 Abschließende Bemerkungen! Staub ist das weltweit wichtigste natürliche Aerosol.! Wichtigste Quelle: Nordafrika, interkontinentaler Transport! Staubstürme spannen einen gewaltigen Skalenbereich auf vom Hochdruckgebiet bis zum Staubteufel! Staub wirkt sich im Klimasystem auf Strahlung, Wolken und biogeochemische Prozesse sowie auf Luftqualität aus! Beobachtung und Modellierung haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, aber dennoch bleiben viele Prozesse unzureichend erfasst, verstanden oder vorhergesagt. 38 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme

39 ! Neues Buch!! Erscheint im Juli diesen Jahres! 39 Peter Knippertz: Staubteufel und Sandstürme