ERDATMOSPHÄRE
Mit Lasern dem Staub auf der Spur
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung e.V.
astronews.com
1. Juli 2019

Auch im Raumfahrtzeitalter sind bodengestützte Messungen der Atmosphäre mithilfe von Laserstrahlen von großer Bedeutung und liefern zudem wichtige Basisdaten für satellitengestützte Messsysteme. Nun wurde das Erdbeobachtungsnetz PollyNet um eine Station in Tadschikistan ergänzt. Im Fokus des Systems stehen insbesondere Messungen des Staubs in der Atmosphäre.

Die operative Dauermessungen in Duschanbe werden wichtige Langzeitdaten für Klima und Luftqualität in Zentralasien liefern. Bild: Dietrich Althausen, TROPOS  [Großansicht]

Das Erdbeobachtungsnetz PollyNet bekommt Verstärkung: Die sechste Station des weltweiten Atmosphärennetzwerks hat am Mittwoch in Duschanbe, der Hauptstadt Tadschikistans, ihren Betrieb aufgenommen. Die neue Station ist die erste in Zentralasien und damit innerhalb des "globalen Staubgürtels", der sich von Marokko bis China erstreckt. PollyNet ist ein Netzwerk von Lichtradaren, die mit Laserstrahlen die Atmosphäre vom Boden aus erforschen. Es trägt mit seinen Messungen zur Europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS, die Aerosole, Wolken und Spurengase untersucht, bei. Koordiniert wird es vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig.

PollyNet-Stationen messen bereits in Finnland, Deutschland, Griechenland, Polen, Portugal und Südkorea per Laser kontinuierlich den Staub in der Atmosphäre. Weitere Stationen sind in Zypern und auf den Kapverdischen Inseln vorgesehen. Für die Technik der Stationen in Tadschikistan, Zypern und auf den Kapverdischen Inseln hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) knapp drei Million Euro zur Verfügung gestellt, um Beobachtungslücken zu schließen und die erfolgreiche Kooperation mit diesen Ländern zu vertiefen. Durch die technische Unterstützung aus Deutschland und die Betreuung vor Ort durch die Akademie der Wissenschaften der Republik Tadschikistan können die durchgeführten Testmessungen im Rahmen des CADEX-Projektes (Central Asian Dust Experiment) nun in operative Dauermessungen überführt werden, die wichtige Langzeitdaten für Klima und Luftqualität in Zentralasien liefern werden.

Insgesamt gelangen pro Jahr Staubpartikel mit einer Masse von etwa 1910 Megatonnen in die Atmosphäre. Als Hauptquelle wird die Sahara mit etwa 1150 Megatonnen vermutet. Bisher kann nur spekuliert werden, wie viel die Wüsten und Steppen Zentralasiens zur Gesamtmenge an Mineralstaub in der Atmosphäre beitragen, denn lange Zeit fehlte es an Messungen in dieser wichtigen Region des Staubgürtels.

Wie lange und wie hoch Staub in der Luft schwebt, ist unterschiedlich und hängt von den regionalen Wetterbedingungen und der Partikelgröße ab. Große Partikel haben eine kürzere Verweildauer als kleine und daher leichtere Partikel, die im Aufwind schnell in große Höhen gelangen können. Im Durchschnitt verweilen Staubpartikel für ein bis zwei Wochen in der Atmosphäre und verteilen sich mit dem Wind. Mineralstaub spielt eine große Rolle für das globale Klima, weil die in der Atmosphäre schwebenden Staubpartikel das Sonnenlicht reflektieren und die am Boden ankommenden Sonnenstrahlen dimmen.

Neben diesen direkten Effekt gibt es auch einen sogenannten indirekten Aerosol-Effekt: Die Partikel wirken als Wolkenkeime und beeinflussen die Wolkenbildung, was ebenfalls Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt der Erde hat und je nach Wolkenart und -höhe kühlen oder wärmen kann. Dazu kommen viele weitere Effekte, deren Bedeutung erst in den letzten Jahren langsam verstanden wurde: An der Oberfläche des Staubs können chemische Reaktionen stattfinden. Spurenmetalle im Mineralstaub düngen den Ozean und treiben so viele biogeochemische Prozesse im Meer an. Starke Staubausbrüche können die Infrastruktur vor Ort wie zum Beispiel Photovoltaik-Anlagen beeinträchtigen.

Dazu kommen die Wirkungen auf die Gesundheit der Menschen, die zum Teil unter heftigen Staubstürmen leiden: Staub beeinflusst die Atemwege negativ und kann auch Bakterien und damit Krankheiten transportieren. Wichtig ist auch, den lokal entstandenen Feinstaub vom Ferntransport aus anderen Regionen der Erde auseinander halten zu können. Nur so lässt sich die Wirksamkeit von Maßnahmen zum Klima- oder Umweltschutz überprüfen. Außerdem fließen die Lidar-Messungen in Untersuchungen der komplexen Wechselwirkungsprozesse bei der Wolkenbildung ein.

"Hier spielen Messstandorte in Gebieten mit hoher Wüstenstaubbelastung eine herausragende Rolle, da Staubpartikel gute Eiskeime sind. In diesem Zusammenhang ist nochmals zu betonen, dass es auf globaler Skala wenige Regionen gibt, in denen sich wie auf Zypern und in Tadschikistan die Belastungen durch vom Menschen verursache Partikel einerseits und natürliche Partikel aus Waldbränden und Wüstenstaub anderseits so gut untersuchen lassen. Hier wollen wir einen wichtigen Beitrag zur Umwelt und Klimaforschung leisten. Die Atmosphärenforschung benötigt dringend derartige Beobachtungen zur Validierung der globalen Aerosolmodelle, die dann wiederum der Verbesserung der Klimamodelle zugutekommen", betont Prof. Andreas Macke, Direktor des TROPOS.

Die automatisierten Ramanlidarsysteme vom Typ Polly (POrtabLe Lidar sYstem) werden vom TROPOS seit über zehn Jahren entwickelt, weltweit eingesetzt und wurden inzwischen zu zentralen Instrumenten auf verschiedenen Messstationen wie Leipzig oder Punta Arenas in Chile. Diese Lidarsysteme messen Partikeleigenschaften, optische Eigenschaften dünner Wolken sowie Feuchteprofile. "In den letzten Jahren wurde die Polarisations-Lidartechnik deutlich weiterentwickelt und ermöglicht es jetzt, die Umweltbelastung durch Wüsten und Bodenstaub (feine Staubpartikel) zu erfassen und die Klimawirkung und Wolkenbildung (grobe Partikel als Kondensationskeime und Eiskeime) vertikal aufgelöst zu bestimmen", erklärt Dr. Dietrich Althausen vom TROPOS, einer der Hauptinitiatoren dieser Technik. "Das Polarisationslidar erlaubt darüber hinaus die vertikal aufgelösten Abschätzungen der Konzentrationen an Kondensations- und Eiskeimen in den verschiedensten Partikelmischungen."

Das PollyNET-Konzept ist methodisch vergleichbar mit dem globalen Aerosolmessnetz AERONET (AErosol RObotic NETwork), dessen Sonnenphotometer von der NASA und der Universität Lille koordiniert werden. "Es existiert ein standardisierter Messgerätetyp, eine standardisierte Auswertesoftware inklusive Qualitätskontrolle sowie eine leitende und verantwortliche Forschungsgruppe. PollyNET und AERONET ergänzen sich sehr: PollyNet erfasst die vertikale Struktur und AERONET die vertikale Summe des troposphärischen Aerosols in den Luftschichten", unterstreicht Dr. Ronny Engelmann vom TROPOS, der beide Geräte auf diversen Schiffsexpeditionen seit Jahren betreut. "Außerdem eignet sich PollyNET auch hervorragend als Ankerstation für die ESA-Weltraummissionen Aeolus und EarthCARE.

Im Rahmen des Central Asian Dust Experiments (CADEX) werden seit 2015 Lidarmessungen zur Untersuchung des Mineralstaubs über Tadschikistan mit einer kleineren, portablen Lidar-Version durchgeführt. Diese Messungen mit diesem PollyXT zeigten erstmals die detailliere Staubverteilung in der Luftsäule über Zentralasien. Es wurden sehr häufig Staubschichten bis in große Höhen, zum Teil bis in 10 km Höhe beobachtet. Die Auswertung der Daten sowie regionale 3D-Modellierung ist noch in Arbeit.

Das CADEX-Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen von "Partnerschaften für nachhaltige Problemlösungen in Schwellen- und Entwicklungsländern" finanziert. In diesem Rahmen wurde eine enge wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen dem Physikalisch-Technischen Institut der Akademie der Wissenschaften von Tadschikistan und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung aufgebaut. Das Projekt wurde inzwischen vom BMBF als ein "Leuchtturmprojekt"“ ausgezeichnet, da es herausragende Ergebnisse erbrachte.

Das CADEX-Projekt war allerdings nur auf die Erfassung einiger Beispielmessungen angelegt. Deshalb wurde am TROPOS in Leipzig mit Unterstützung des BMBF ein Messcontainer konzipiert und gebaut, der Ende Mai auf dem Landweg nach Tadschikistan transportiert wurde. Mit der Inbetriebnahme der PollyNet-Station in Duschanbe werden die Messungen nun in Langzeitbeobachtungen überführt.

"Auf Staubereignissen folgten oft Starkregenereignisse. Das legt einen Zusammenhang nahe. Aber wie und in welchem Maße hat der Staub einen Einfluss auf diese Prozesse? Vielleicht geben uns die Messungen dazu in den kommenden Jahren entscheidende Hinweise", hofft Julian Hofer vom TROPOS, der die Messungen in Tadschikistan vor Ort mit betreut hat. Mit den Langzeitmessungen werden Trends sichtbar, die sich erst über mehrere Jahre zeigen. Die Lidar-Messungen in Tadschikistan werden damit wichtige Daten zum Klimawandel und zur Luftqualität in Zentralasien liefern.