De bosbranden van 2019/20 in Australië hebben meer rook de atmosfeer in getransporteerd dan ooit tevoren waar ook ter wereld. In de zogenaamde Black Summer bereikten drie keer zoveel deeltjes hoge luchtlagen als bij de vorige record bosbranden in Canada in de zomer van 2017. Twee analyses onder leiding van het Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) onthullen nu de klimaatimpact van deze enorme branden:Rookdeeltjes met een totale massa van ongeveer een miljoen ton verspreidden zich over het zuidelijk halfrond en beïnvloedden het klimaat gedurende ongeveer anderhalf jaar door de bovenste atmosfeer te verwarmen en de lagere atmosfeer dicht bij het aardoppervlak af te koelen.

Van de subtropen tot Antarctica werd het zonlicht zelfs meer gedimd dan tijdens de uitbarsting van de vulkaan Pinatubo in 1991. De rook heeft waarschijnlijk ook bijgedragen aan het record ozongat boven Antarctica in 2020, waarbij een draaikolk van 1000 kilometer in diameter werd gevormd die over de zuidelijke halfrond gedurende enkele weken, wat wordt beschouwd als het eerste bewijs dat rook van bosbranden ook winden op grote hoogte in de stratosfeer kan veranderen. Aangezien dergelijke extreme branden naar verwachting vaker zullen voorkomen als gevolg van klimaatverandering, is het erg belangrijk om in klimaatscenario's rekening te houden met de rook en de effecten ervan op de energiebalans van de aarde, schrijven de onderzoekers in het tijdschrift Atmospheric Chemistry and Physics ik> (ACS ).

Record bosbranden in Australië

Tussen september 2019 en januari 2020 is bijna twee keer zoveel oppervlakte verbrand als bij elke andere extreme brand in Australië die tot nu toe is gedocumenteerd. De branden bereikten een hoogtepunt tussen 29 december 2019 en 4 januari 2020, daarom worden ze nu in de wetenschappelijke literatuur aangeduid als de Australian New Year Super Outbreak (ANYSO) en in de volksmond bekend als de Black Summer-bosbranden.

Door de hoge hitte ontstonden 38 vuurwolken (Pyrocumulonimbus, kortweg PyroCb) die de rook met tien keer de snelheid van een lift naar grote hoogten transporteerden. Meer dan de helft van deze PyroCb-wolken transporteerden de rookdeeltjes rechtstreeks naar een hoogte van 14 tot 16 kilometer de lagere stratosfeer in. Net als bij een vulkaanuitbarsting geldt hetzelfde voor natuurbranden:hoe hoger de deeltjes reiken, hoe verder ze zich verspreiden en hoe langer hun effect op het klimaat. Deeltjes in de lagere atmosferische lagen worden door neerslag meestal snel weggespoeld (binnen enkele dagen tot enkele weken) en hebben daardoor weinig effect op het klimaat.

De bosbranden in het zuidoosten van Australië hebben rond de jaarwisseling 2019/20 ongeveer 1 miljoen ton rookdeeltjes in de atmosfeer uitgestoten. Dat is ongeveer vier keer zoveel als bij de bosbranden van voorgaande jaren. De rookdeeltjes verspreidden zich binnen enkele dagen door de middelhoge breedtegraden van het zuidelijk halfrond als gevolg van de wind op grote hoogte en bevatten onder meer roetaerosol.

Deze donkere deeltjes absorberen zonne-energie en behoren tot de sterkste opwarmende kortstondige klimaatveroorzakers. Rook van dergelijke extreme bosbranden is echter nog niet adequaat weergegeven in aerosolklimaatmodellen. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van TROPOS heeft daarom de Black Summer-bosbranden geanalyseerd om de impact van dergelijke gebeurtenissen op het klimaat beter te begrijpen.

Veel metingen op het zuidelijk halfrond geven een raadselachtig beeld

Voor hun onderzoek gebruikten de onderzoekers satellietgegevens van de optische dikte van aerosollagen (AVHRR van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) en de CALIOP-ruimtelidar). Ze vergeleken de atmosferische opaciteit met de zonnefotometermetingen van het internationale AERONET-netwerk, dat stations exploiteert in Punta Arenas (Chili), Amsterdam Island (Indische Oceaan), Marambio (nabij het Antarctisch Schiereiland), Vechernaya Hill (Oost-Antarctica) en op de Zuidpool oa. Bovendien waren de langetermijnwaarnemingen met twee Raman-lidars vanaf de grond in Punta Arenas (Chili) en Río Grande (Argentinië) in het zuidelijkste puntje van Zuid-Amerika doorslaggevend.

Deze metingen kunnen als representatief worden beschouwd voor het zuidelijk deel van het zuidelijk halfrond en maakten ook vergelijkingen met andere extreme bosbranden op het noordelijk halfrond mogelijk. Beide metingen hadden oorspronkelijk verschillende wetenschappelijke doelstellingen:De lidar-waarnemingen in Punta Arenas vonden plaats als onderdeel van de DACAPO-PESO-campagne (Dynamics, Aerosol, Cloud And Precipitation Observations in the Pristine Environment of the Southern Ocean) van november 2018 tot november 2021. hoofddoel van deze meetcampagne van de Universiteit van Magallanes (UMAG), TROPOS en de Universiteit van Leipzig was het bestuderen van aërosol-wolkinteractieprocessen onder de schone omstandigheden van het zuidelijk halfrond.

De lidar-waarnemingen in Río Grande waren onderdeel van de HALO-missie SOUTHTRAC-GW (Southern Hemisphere Transport, Dynamics, and Chemistry-Gravity Waves), waarbij een groot internationaal team onder leiding van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) atmosferische zwaartekrachtgolven in Zuid-Amerika onderzocht. Amerika met het HALO-onderzoeksvliegtuig in september 2019. Ook werd gebruik gemaakt van de Compact Rayleigh Autonomous Lidar (CORAL) van DLR, die belangrijke gegevens opleverde over de optische eigenschappen van de rook tussen 15 en 30 kilometer hoogte. De grote hoeveelheid gegevens maakte het mogelijk om een ​​nieuw fenomeen waar te nemen, de bosbranden te vergelijken met eerdere record bosbranden in Noord-Amerika en ook om verbanden te leggen met het ozongat:

Een unieke rookvortex

Het is al lang bekend dat natuurbranden vrijwel hun eigen weer bepalen, maar in verband met de zwarte zomerbranden in januari-maart 2020 werd een nieuw fenomeen waargenomen:een zichzelf in stand houdende draaikolk met een diameter van ongeveer 1.000 km en een verticale omvang van ongeveer 5 kilometer. Deze uiterst stabiele vortex bleef meer dan 13 weken in de stratosfeer, stak binnen twee weken de Stille Oceaan over naar het oosten en zweefde meer dan een week boven de punt van Zuid-Amerika.

Dit werd gevolgd door een reis van 10 weken rond de wereld in westelijke richting die begin april 2020 over meer dan 66.000 km kon worden gevolgd. De vortex vervoerde rook en vocht tot een hoogte van 35 km - een hoogte die niet wordt bereikt door troposferische aerosolen sinds de uitbarsting van de Pinatubo-vulkaan. Deze vortex hield de rookdeeltjes vast, waardoor ze niet verspreid en verdund konden worden. De absorptie van zonnestraling door de rook in het centrum leidde tot opwarming en circulatie tegen de klok in, als een hogedrukgebied op het zuidelijk halfrond.

"Zoiets is nog niet eerder waargenomen. Dit is het eerste bewijs dat rook ook veranderingen in winden in de stratosfeer veroorzaakt en opent een geheel nieuwe richting van wetenschappelijk onderzoek. De invloed van bosbranden op de atmosfeer zou veel groter kunnen zijn dan we eerder dachten ," onderstreept Dr. Albert Ansmann van TROPOS.

ANYSO als de nieuwe recordhouder

Lidar-metingen van TROPOS uit voorgaande jaren maakten het mogelijk om de natuurbranden in Australië te vergelijken met twee andere grote branden:De recordbrekende natuurbranden in Canada (Pacific Northwest Event, PNE) in augustus 2017 hadden slechts ongeveer een derde van de aerosolmassa in de bovenste stratosfeer in vergelijking. Tijdens dit evenement kon tot januari 2018 de rook van vijf vuurwolken boven Brits-Columbia worden waargenomen boven Europa.

In juli/augustus 2019 deden zich ook extreem sterke branden voor in Siberië ten noorden en noordoosten van het Baikalmeer (SIberian Lake Baikal Event, SILBE), waar geen vuurwolken werden waargenomen. De rook steeg daarom waarschijnlijk binnen een week langzaam naar grote hoogte via zonnestraling. Door lidar-metingen op de onderzoeksijsbreker Polarstern kon rook van deze branden worden waargenomen in de regio rond de Noordpool tijdens de internationale MOSAiC-expeditie tussen oktober 2019 en mei 2020.

De rook van de Canadese bosbranden (PNE) van 2017 omvatte ongeveer 0,3 miljoen ton materiaal, vormde een laag van ongeveer 1 tot 4 kilometer dik, steeg tot een hoogte van 20 kilometer en bleef ongeveer 8 maanden in de atmosfeer zweven. De rook van de Siberische bosbranden (SILBE) van 2019 vormde een laag van ongeveer 7 tot 10 kilometer dik, steeg op tot een hoogte van 18 kilometer en bleef ongeveer 5 maanden in de atmosfeer zweven.

De rook van de Australische bosbranden van 2019/20 (ANYSO) omvatte ongeveer 1 miljoen ton materiaal, vormde een laag van ongeveer 10 tot 14 kilometer dik, steeg op tot een hoogte van 24 kilometer en bleef ongeveer 20 maanden in de atmosfeer zweven.

"De bosbranden in Australië van 2019/20 zijn zonder meer de bosbranden met de grootste impact op de atmosfeer en het mondiale klimaat tot nu toe. De afmetingen zijn vergelijkbaar met de uitbarsting van Pinatubo op de Filippijnen in 1991. De deeltjes bereikten toen een hoogte van 25 kilometer en zweefden ongeveer 14 maanden in de atmosfeer. Alleen de grootte van de deeltjes verschilt aanzienlijk:de asdeeltjes van de vulkaan, met een diameter van ongeveer 1 micrometer, waren ongeveer twee keer zo groot als de rookdeeltjes van de Australische bosbranden, " meldt Albert Ansmann van TROPOS.

Rook als katalysator voor het ozongat?

In 2020/21 werden drie gebeurtenissen met een recordbrekende aantasting van de ozonlaag waargenomen:een extreem sterk ozongat boven het centrale Noordpoolgebied in maart/april 2020, en nog meer extreme boven Antarctica in respectievelijk september tot november 2020 en 2021. Tijdens alle drie de gebeurtenissen dreef een ongewoon grote hoeveelheid rook in de atmosfeer van de poolgebieden, zoals blijkt uit de lidar-metingen.

Vanuit het oogpunt van de onderzoekers is dit een duidelijke indicatie van correlaties, aangezien ze een duidelijke overeenkomst zagen tussen de laag met de sterkste ozonafbraak boven de stations van de ozonsondes (14-25 km hoogte), de laag met een verhoogde oppervlakteconcentratie van deeltjes boven Punta Arenas (10-24 km hoogte) en het hoogtebereik waarin de CALIOP-satellietgegevens polaire stratosferische wolken hebben gedetecteerd (voornamelijk boven Antarctica op 13-26 km hoogte).

"Het is bekend dat polaire stratosferische wolken (PSC's) chemische processen aan hun oppervlak hebben die de aantasting van de ozonlaag versnellen. Daarom vermoeden we sterk dat de rook heeft geleid tot deze hoge wolken en dat deze wolken op hun beurt hebben geleid tot ernstige aantasting van de ozonlaag. Dit zou geen goed nieuws zijn voor de mensen in en rond de poolgebieden.Als klimaatverandering, zoals verwacht, leidt tot frequentere en hevigere bosbranden, zouden de ozongaten zich over de Noordpool en Antarctica verspreiden, en daarmee het risico op huidkanker, " legt Kevin Ohneiser van TROPOS uit.

Verkoelend effect zoals een grote vulkaanuitbarsting

De gegevens werden ook gebruikt voor een simulatie met het moderne mondiale aerosolklimaatmodel ECHAM6.3-HAM2.3. Dit model maakt gebruik van een aerosol-microfysisch model om de ontwikkeling van verschillende aerosoltypes te beschrijven. Dit maakt het mogelijk om hun invloed op de stralingsbalans van de atmosfeer in te schatten:De modelsimulaties bepaalden een verwarmingseffect in de bovenste atmosfeer (TOA) van +0,5 watt per vierkante meter op het zuidelijk halfrond en +0,25 watt per vierkante meter wereldwijd. Aan het aardoppervlak (bodem van de atmosfeer, BOA), werd de zonnestralingsforcering geschat op ongeveer -0,75 watt per vierkante meter onder een heldere hemel. Dit komt overeen met het verkoelende effect van een grote vulkaanuitbarsting.

"We waren verbaasd over hoeveel de bosbranden in het zuidoosten van Australië de ondoorzichtigheid van de bovenste luchtlagen van het zuidelijk halfrond hebben vergroot, waardoor de stralingsbalans is veranderd. Deze veranderingen hebben het klimaat op het zuidelijk halfrond anderhalf jaar lang beïnvloed. ze kunnen in wezen worden toegeschreven aan slechts vier dagen rook door pyroconvectie", zegt dr. Bernd Heinold van TROPOS.

Wildbranden worden belangrijker voor klimaatmodellen

De impact van natuurbrandaerosol op de energiebalans van branden met dergelijke hoge vuurwolken is tot nu toe waarschijnlijk onderschat in modellen, omdat de verticale rookverdeling cruciaal is voor het stralingseffect, maar er is weinig kennis over deze natuurbrandeigenschap. "Dergelijke verbeteringen zijn essentieel voor elke schatting van de energiebalans en klimaattoestand van de aarde. Daarom wordt het steeds belangrijker om klimaatmodellen beter in staat te stellen om te gaan met de impact van bosbranden op de atmosfeer, aangezien ze naar verwachting in frequentie en ernst zullen toenemen wereldwijd als reactie op antropogene klimaatopwarming”, legt prof. Ina Tegen van TROPOS uit.

"Het verhoogde risico op ernstige bosbranden houdt verband met extreme droogte. Frequentere en intensere weersextremen vergroten ook de kans dat deze zeer hoge vuurwolken zich in de toekomst vaker zullen vormen." Recordbrekende branden zoals die in Australië in 2019/20 zouden de komende jaren in andere regio's van de wereld kunnen worden herhaald en een toenemende impact op het wereldwijde klimaat hebben. + Verder verkennen

De 'Black Summer'-branden in Australië hebben de ozonlaag aangetast:onderzoek