Derzeitige mathematische Modelle in Schwierigkeiten
Staub ist ein lästiges Übel, das gesaugt und entsorgt werden muss, aber in Wirklichkeit ist er viel wichtiger, als den meisten Menschen bewusst ist schreibt Adrian Chappell, Professor für die Auswirkungen des Klimawandels an der Universität Cardiff, am 02.04.2024 in The Conversation. Weltweit spielt Staub eine entscheidende Rolle bei der Regulierung unseres Klimas, des Strahlungshaushalts, der Nährstoffkreisläufe, der Bodenbildung, der Luftqualität und sogar der menschlichen Gesundheit.
HKW Reuter West, Berlin – im Jahr 2,5 Mio. t CO2, 2.000 t NOx, 57 t Feinstaub, 32 kg Arsenverbindungen, 13,6 kg Hg – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Doch unser Verständnis wird durch die Grenzen der derzeitigen mathematischen Modelle beeinträchtigt. Diese Modelle, die auf vor Jahrzehnten entwickelten Methoden beruhen, haben Schwierigkeiten, die Eigenschaften und Mengen von Staub genau zu simulieren. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen die erheblichen Grenzen derzeitiger mathematischer Modelle auf, die zur Simulation der Eigenschaften und Mengen von Staub verwendet werden. Diese vor Jahrzehnten entwickelten Modelle berücksichtigen die jahreszeitlichen und hemisphärischen Verschiebungen der Staubemissionen nicht genau und stellen die Wahrnehmung Nordafrikas und des Nahen Ostens als Hauptstaubquellen in Frage.
Neueste Forschungsergebnisse vermitteln ein differenzierteres Bild von Staub. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Staubemissionen nicht konstant sind, sondern sich jahreszeitlich und zwischen den Hemisphären, über Wüsten und Buschland hinweg, verändern. Dies stellt die lange Zeit vorherrschende Meinung in Frage, Nordafrika und der Nahe Osten seien Hauptquellen des globalen Staubes. Unsere Forschungen, die sich auf zwei Arten von Satellitendaten stützen, legen nahe, dass Staubemissionen während Staubstürmen selten und lokal begrenzt sind, ähnlich wie Blitzeinschläge, und an ständig wechselnden Orten auftreten.
Die Komplexität des Staubes
Der Kreislauf von Staubemission, -transport und -ablagerung hat positive und negative Auswirkungen auf unsere Umwelt. Nährstoffe im abgelagerten Staub düngen unsere Ozeane und Regenwälder. Staub aus erodierten Sedimenten kann aber auch Pflanzen und Bäume schädigen und die Photosynthese stören, während Staub, der sich auf Eis ablagert, dessen Schmelzgeschwindigkeit erhöht.
Variationen in der Staubzusammensetzung, wie z. B. Art und Farbe der Mineralien, schaffen einen komplexen Cocktail von Partikeln, die in die Atmosphäre gelangen. Dieser wiederum beeinflusst in Wechselwirkung mit den Wolken, wie das Sonnenlicht reflektiert oder absorbiert wird, und reguliert letztlich die Temperatur der Erde. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir genau wissen, woher die Staubemissionen kommen, in welchen Mengen sie auftreten, wie der Staub über den Planeten transportiert wird und wo er schließlich landet.
Modelle für Staubemissionen wurden vor fast 30 Jahren entwickelt, als noch viel weniger Daten zur Verfügung standen. Folglich gingen diese heute klassischen Staubkreislaufmodelle von einigen Annahmen aus. Eine wichtige Annahme war, dass die Landoberfläche der Erde gleichmäßig mit stets lockerem und trockenem Material bedeckt sei, das immer verfügbar sei und Staubemissionen verursache.
Heute wissen wir jedoch aus Feldmessungen, dass die Böden oft verkrustet oder mit verschiedenen Arten von Kies bedeckt sind. Die Schwelle, ab der der Wind den Boden anhebt und in die Atmosphäre entlässt, wurde ebenfalls als feststehend und zeitlich unveränderlich angenommen.
Heute wissen wir auch, dass sich Sedimente in der Landschaft bewegen und nicht immer verfügbar sind. Vegetation, die den Boden bedeckt, verringert die Geschwindigkeit, mit der der Wind die Bodenoberfläche erreicht, was wiederum die Staubemission verringert. Staubmodelle gehen immer noch davon aus, dass „Grün“ auf das Vorhandensein von Vegetation hinweist. In Trockengebieten, in denen die meisten Staubemissionen auftreten, ist die Vegetation jedoch oft braun, aber ihre Rauheit verringert dennoch die Windgeschwindigkeit und schützt den Boden vor Staubemissionen.
Folglich haben die klassischen Staubkreislaufmodelle die Menge der Staubemissionen überschätzt. Diese Schwächen sind seit der Entwicklung der Modelle bestehen geblieben. Dies liegt vor allem daran, dass die Modellierer davon ausgehen, dass sie durch die Anpassung ihrer Staubkreislaufmodelle an die Messungen von Staub in der Atmosphäre alle Schwächen in der Modellierung der Staubemissionen überwinden.
Ein neuer Ansatz
Vor fast einem Jahrzehnt haben wir einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem wir den Schatten nutzen, um abzuschätzen, wie viel von der Windgeschwindigkeit durch die Rauheit der Erdoberfläche, z. B. durch die Vegetation, verringert wird. Dieser Ansatz war noch durch die beschriebenen früheren Modellannahmen begrenzt.
Während der Pandemie waren herkömmliche Feldstudien jedoch unmöglich. Daher haben wir einen neuen Ansatz gewählt. Mit Hilfe von Satelliten haben wir eine globale Sammlung von Staubemissionspunkten erstellt. Dies lieferte wertvolle Daten und ebnete den Weg für weitere Forschungen.
Wir stellten fest, dass die bestehenden Modelle die Rolle Nordafrikas als Hauptquelle der globalen Staubemissionen überschätzten. Unsere Forschung zeigt, dass sich die Staubemissionen saisonal und zwischen den Hemisphären verschieben, und zwar sowohl aus Wüsten in Ostasien, dem Nahen Osten und Nordafrika als auch aus Buschland in Australien und Nordamerika.
Aktuelle Modelle liefern nur einen Bruchteil der Informationen, die sich auf den Staub in der Atmosphäre über Nordafrika und dem Nahen Osten beziehen. Für die südliche Hemisphäre wurde eine geringe Staubemission vorhergesagt. Dies steht jedoch im Gegensatz zu Feldbeobachtungen und den Erfahrungen der Menschen in diesen Regionen.
Diese neuen Erkenntnisse sind für großmaßstäbliche Modelle von entscheidender Bedeutung, da die Eigenschaften von Staub je nach Herkunftsort unterschiedlich sind. Und nicht nur das: Staub kann sich auch verändern, wenn er innerhalb einer Hemisphäre zu verschiedenen Zielen transportiert wird, wo er sich auf dem Land, in unseren Ozeanen und auf Eiskappen absetzt.
Unser neues Verständnis von Staubverteilung, -menge und der jahreszeitlichen Verschiebungen hat erhebliche Auswirkungen. Es wird eine Revision historischer Rekonstruktionen erfordern, die vergangene Klimaveränderungen erklären. Unsere Erkenntnisse werden sich auch auf künftige Klimaprojektionen auswirken und zeigen, wie der Staubkreislauf mit den Kohlenstoff-, Energie- und Wasserkreisläufen der Erde interagiert.
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