Enorme Mengen an Waldbrandrauch von außerordentlich starken und unkontrollierbaren Waldbränden in Kanada (2017), Sibirien (2019) und Australien (2019-2020) gelangten in den letzten Jahren in die Stratosphäre. Die Auswirkungen des Rauchs auf das Klimasystem der Erde wurden von vielen Forschungsgruppen untersucht. Mithilfe von Polarisations-Raman-Lidarmessungen wurden im Rahmen dieser Arbeit die optischen Eigenschaften des Rauchs vermessen und einige Aspekte der Auswirkungen auf das Klimasystem untersucht.
Der sibirische Rauch verteilte sich über der gesamten Arktis und wurde fast ein Jahr lang während der MOSAiC-Kampagne mit einem Lidar auf dem deutschen Eisbrecher Polarstern in der Nordpolregion beobachtet. Dabei wurde eine 10km dicke Aerosolschicht (etwa zwischen 8 und 18km Höhe) in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) detektiert. Die Schicht zeigte eindeutige Eigenschaften von Waldbrandrauch. Die Lidarverhältnisse lagen bei 55 sr (355nm Wellenlänge) und 85 sr (532nm Wellenlänge) und die optische Dicke des Aerosols (AOT) erreichte Werte bis zu 0,1 im Herbst 2019.
Waldbrandrauch erreicht die Stratosphäre normalerweise nur im Zusammenhang mit Pyrokumulonimbus-Konvektion (pyroCb). Der sibirische Waldbrandrauch gelangte allerdings ohne die Hilfe von pyroCbs in die Stratosphäre, vermutlich durch sogenannte Selbsthebung, wie in der Arbeit ausgeführt wird. Demnach steigt der Rauch innerhalb von 3-7 Tagen bis zur Tropopause und in die untere Stratosphäre auf. Die Hypothese wird unterstützt durch CALIOP-Beobachtungen und ECRAD-Modellsimulationen.
Während der Hauptphase der großen australischen Feuer (zwischen dem 29. Dezember 2019 und dem 4. Januar 2020) entstanden etwa 40 pyroCbs über den ausgedehnten Feuerflächen. Nie zuvor war eine derart hohe Anzahl von pyroCbs beobachtet worden. Sie verursachten eine stratosphärische Verschmutzung mit Rauch, wie sie nie zuvor beobachtet worden war. Der australische Rauch verteilte sich über der gesamten Südhemisphäre und wurde während der DACAPO-PESO-Kampagne in Punta Arenas (Chile) mit einem Lidar vermessen. Zwischen Januar 2020 und November 2021 befand sich der Rauch typischerweise zwischen 9 und 24km Höhe. Im Januar 2020 war die maximale optische Dicke des Rauchs über Punta Arenas etwa 1,0. Die Kombination von Lidar- und Photometermessungen ergab, dass das Lidarverhältnis des Rauchaerosols bei 69±19 sr (355 nm), 91±17 sr (532 nm) und 120±22 sr (1064 nm) lag.
Der Rauch in der Stratosphäre hatte einen Einfluss auf die Strahlung, auf die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre und auf die Entwicklung von Zirruswolken an der Tropopause. Herausragend starke Ozonlöcher bildeten sich teilweise (Arktis, 2020) und vollständig (Antarktis 2020 und 2021) in rauchverschmutzter Luft beider polarer Gebiete. Dabei wurden erstmals klare Hinweise auf einen Einfluss des Rauchs auf die Ozonlöcher gefunden (besonders ausgeprägt in der Antarktis 2020), wie in der Arbeit dargelegt wird.
Zusammengefasst präsentiert diese Dissertation die Messungen der geometrischen, optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der stratosphärischen Rauchschichten über der Arktis und über Punta Arenas, sowie das Abklingverhalten dieser großen stratosphärischen Störungen in vier Publikationen. Darüber hinaus wird der Einfluss von Rauchpartikeln auf den Ozonabbau diskutiert und die Hypothese, dass Rauch von der freien Troposphäre bis zur Tropopause selbst aufsteigt wird aus der Prespektive von Beobachtungen und Modellergebnissen gezeigt.:1 Introduction
2 Measurement campaigns
2.1 DACAPO-PESO
2.2 MOSAiC
3 Stratospheric aerosol perturbations
3.1 Historical observations of aerosol in the stratosphere - an overview
3.2 Siberian wildfires
3.3 Australian wildfires
4 Instrumentation and data analysis
4.1 PollyXT
4.2 Lidar-derived optical properties
4.3 Data analysis
5 Results
5.1 First Publication: Ohneiser et al., Optical properties of Australian smoke
over Punta Arenas, Chile, ACP, 2020
5.2 Second Publication: Ohneiser et al., Decay Phase of Australian wildfire
smoke in the stratosphere, ACP, 2020
5.3 Third Publication: Ohneiser et al., Unexpected smoke layer in the High
Arctic winter stratosphere 2019–2020, ACP, 2021
5.4 Fourth Publication: Ohneiser et al., Self-lofting of wildfire smoke in the
troposphere and stratosphere, ACPD (preprint), in review, 2022
6 Summarizing discussion, conclusion, and outlook
A Author’s contribution to the four publications
B Lists
B.1 List of Abbreviations
B.2 List of Symbols
B.3 List of Figures
B.4 List of Tables
References
Acknowledgements
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:85052 |
| Date | 02 May 2023 |
| Creators | Ohneiser, Kevin |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.5194/acp-20-8003-2020, 10.5194/acp-22-7417-2022, 10.5194/acp-21-15783-2021, 10.5194/acp-23-2901-2023 |
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