Das Verständnis von Staub in hohen Breitengraden könnte dabei helfen, die globale Erwärmung und Wettermuster vorherzusagen.
Wissenschaftler tauchen in die Welt des Sandes ein, um seine Auswirkungen auf unser Klima und unsere Wettersysteme besser zu verstehen.
Aber der Ort ihrer Forschung könnte Sie überraschen.
Island ist das größte und aktivste Wüstengebiet Europas, aber statt orangefarbener Sanddünen sind die 44.000 km2 großen Wüstengebiete flache, karge Flächen aus schwarzem Vulkanstaub. Wie normale Wüsten produzieren sie Sand, der bei windigem Wetter zu starken Staubstürmen führen kann.
Diese Partikel werden als „High Latitude Dust“ (HLD) bezeichnet, da sie hauptsächlich aus Regionen in der Nähe des Polarkreises stammen, obwohl sie bis zum europäischen Festland reichen können.
Jede Staubart hat je nach Material, aus dem sie besteht, einen einzigartigen Fingerabdruck: Die isländischen Partikel bestehen aus schwarzem Vulkanglas.
„Wir haben isländischen schwarzen Staub in Finnland, aber auch in Serbien gefunden“, sagt Pavla Dagsson-Waldhauserova, Forscherin an der Universität für Landwirtschaft Islands und Präsidentin der isländischen Aerosol- und Staubvereinigung.
Wie entstand Staub in Island?
Die Vereinten Nationen zählen die Wüstenbildung „zu den größten Umweltherausforderungen unserer Zeit“, da der Klimawandel und vom Menschen verursachte Aktivitäten üppige Gebiete in Staubwolken verwandeln.
Isländische Wüsten sind das Ergebnis menschlicher Aktivitäten. „Dieses Gebiet wäre ein Birkenwald gewesen“, sagt Dagsson-Waldhauserova und zeigt auf die karge Landschaft. Wikinger-Siedler versuchten, das Land mit für Nordeuropa geeigneten Techniken zu kultivieren, aber diese Methoden erwiesen sich im kälteren, windigeren Klima Islands als wirkungslos.
Die Landschaften des Landes haben sich im Laufe der Jahrhunderte verschlechtert, und heute sind nur noch etwa 2 Prozent von Island mit Wald oder Wäldern bedeckt.
Während einige Wissenschaftler glauben, dass die Arktis irgendwann wieder grün und üppig werden könnte, schreitet die Wiederaufforstung in Island langsam und mit bescheidenen Zielen voran. Der isländische Forstdienst (IFS) hofft, die Waldfläche des Landes bis 2050 auf 4 Prozent steigern zu können.
Sobald die Wüstenbildung einmal begonnen hat, ist es schwierig, sie rückgängig zu machen: Es gibt etwa 135 Tage im Jahr, an denen Staub aus der isländischen Wüste aufsteigt und andere Gebiete in Europa oder Island verseucht, die noch nicht zur Wüste geworden sind. Vulkanausbrüche pumpen mehr Asche aus und verschärfen so die Bedingungen in der Wüste.
Welche Auswirkungen hat dunkler Staub in hohen Breitengraden auf das Klima?
Die Auswirkungen von HLD auf das Klima unterscheiden sich erheblich von denen von Staub in niedrigen Breitengraden. Das IPCC hält den helleren Wüstenstaub in der Sahara und Asien in einer Hinsicht für vorteilhaft, da er Licht reflektiert.
Aber isländische Staubpartikel sind dunkler, das heißt, sie absorbieren das Sonnenlicht und erwärmen so Land und Luft.
„Die wichtigste Auswirkung auf das Klima ist die Ablagerung (von Staub) auf der Kryosphäre“, sagt Dagsson-Waldhauserova und zeigt auf den Myrdalsjökull-Gletscher vor uns. Wenn der schwarze Sand auf Gletschern eine bis zu 1,3 Zentimeter dicke Schicht bildet, schmilzt das Eis durch die von ihm aufgenommene Wärme.
Dank des von der COP21 finanzierten Projekts Planet Watch, das Kameras zur Überwachung von zehn Gletschern weltweit bereitstellte, beobachtete sie den Gletscherabbau mehr als zwei Jahre lang.
Ähnlich wie Steinkohle ist dieser Staub ein erheblicher Luftschadstoff und Treiber des Klimawandels in fragilen arktischen Regionen. Aufgrund seiner Reichweite seien auch Gletscher in Grönland und das Meereis betroffen, sagt Dagsson-Waldhauserova.
Da die Gletscher aufgrund steigender Temperaturen schneller schmelzen, wird mehr Staub freigelegt. „Unter dem Gletscher befindet sich feinstes Gebirgsmaterial, eine unbegrenzte Staubquelle“, erklärt sie.
Dagsson-Waldhauserova überwacht aktive Staub-Hotspots und entwickelt mithilfe mehrerer in Island stationierter Messgeräte ein genaueres regionales Staubmodell.
Dank des Copernicus Monitoring Programms (CAMS) hat sie gerade ein erstes Jahr der permanenten Staubbeobachtung abgeschlossen. „Das Problem bei globalen Staubmodellen besteht darin, dass sie keine HLD-Quellen enthalten oder die Auflösung zu niedrig ist. Unsere In-situ-Daten sollten den Staubmodellierern helfen, ihre Modelle zu optimieren“, sagt sie gegenüber The European Circle Green.
Schätzungsweise zwei Milliarden Tonnen Sand und Staub gelangen jedes Jahr in die Atmosphäre, schränken die Sicht ein und verursachen gesundheitliche Probleme wie Atemwegserkrankungen.
Die Risiken werden immer noch unterschätzt: „Während in den letzten 150 Jahren nur zwei Menschen durch Vulkanausbrüche ihr Leben verloren haben, haben Staubstürme in Island Hunderte Todesopfer bei Unfällen gefordert“, sagt Dagsson-Waldhauserova.
Schwarzer Staub könnte ein Hinweis auf Wolken sein
Staub in hohen Breitengraden hat möglicherweise auch eine kühlende Wirkung.
Staub in der Luft kann mehr Wolken am Himmel erzeugen, indem er als Kern für Eiskristalle dient, ein Prozess, der für die Wolkenbildung entscheidend ist. „Schon eine Handvoll Staubpartikel können einen massiven Einfluss auf die Art und Weise haben, wie sich eine Wolke bildet und ihre Lebensdauer“, erklärt Polly Foster, eine Doktorandin an der britischen University of Leeds, die diese Auswirkungen untersucht.
Die einzigartige Zusammensetzung von HLD mit seiner dunkleren Farbe und seinem hohen Mineralgehalt macht es besonders effektiv bei der Bildung von mit Eis oder Wasser gefüllten Wolken.
Wolken beeinflussen das Klima der Erde stark durch einen Prozess, der als Wolken-Klima-Rückkopplung bezeichnet wird.
Sie sind für den Wasserkreislauf unerlässlich und spielen eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle der Erdtemperatur, indem sie beeinflussen, wie viel Sonnenenergie zurück in den Weltraum reflektiert und wie viel Wärme gespeichert wird.
„Wenn wir verstehen, wie viel Staub aufsteigt, können wir Wolken besser vorhersagen, was uns wiederum dabei helfen kann, die globale Erwärmung und Wettermuster viel besser vorherzusagen“, sagt Foster.
Technologie für bessere Vorhersagen
Um dieses Rätsel zu lösen, müssen Wissenschaftler herausfinden, wie Partikel in verschiedenen Höhen am Himmel verteilt sind.
Foster testet eine neue Methode zur Bestimmung der Partikelpräsenz: „Wir haben vielleicht einen Weg gefunden, sie zu definieren.“ Das hat noch niemand gemacht, und das ist wirklich spannend und wirklich wichtig“, sagt sie.
Das Team nutzt eine meteorologische Drohne, um verschiedene Höhen zu erreichen. „Unsere Drohne misst Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit, zweidimensionale Winde, aber auch Partikelgröße und Partikelanzahl in Echtzeit und kann bis zu zwei Kilometer zurücklegen“, sagt Ben Pickering, Chief Meteorological Officer beim Drohnenunternehmen Menapia.
Bisher können nur Wetterballons und Laserlichtinstrumente namens Lidar die atmosphärische Grenzschicht (ABL) messen – die unterste der Erde.
„Das ABL ist von entscheidender Bedeutung für eine genauere Wettervorhersage, da hier der gesamte Energieaustausch stattfindet und Luftverschmutzung eingefangen werden kann“, fügt Pickering hinzu.
Doch während der Flug mit Wetterballons sehr teuer ist und die Messungen nur zweimal am Tag erfolgen und Lidar nur bei klarem Wetter fliegen kann, sind Drohnen eine kostengünstige und zuverlässige Option.
Foster bringt an der Drohne ein innovatives Instrument an, das Partikel in sehr geringen Mengen auf einem Glasobjektträger sammeln kann und so beispiellose Einblicke in das Verhalten und den Transport von Staub bietet.
In der Zwischenzeit werden mit demselben Instrument Partikel in Bodennähe gesammelt, um Glasobjektträger zu vergleichen. „Wenn die Ergebnisse positiv ausfallen und wir zeigen können, wie der Staub nach oben transportiert wurde, wäre das unglaublich“, sagt sie.
