Black Carbon aus Waldbränden trägt zur Erwärmung der Arktis bei | Polarjournal
Während der Flugexperimente beobachteten die Forscher gelegentlich eine Schicht verschmutzter Luft über der Arktis. Die jährlichen Schwankungen in der Häufigkeit von Bränden bestimmt die Menge und die Strahlungseffekte von Black Carbon im arktischen Frühjahr. Bild: Sho Ohata

Die Arktis erwärmt sich etwa doppelt so schnell wie der Rest der Welt, was hauptsächlich auf den globalen Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zurückzuführen ist. Doch Kohlenstoff ist nicht nur in der gasförmigen Verbindung CO2 für die beschleunigte Erwärmung verantwortlich, sondern auch als sogenannter Black Carbon. Wissenschaftler konnten jetzt in einer neuen Studie zeigen, dass der Einfluss des «schwarzen Kohlenstoffs» auf den Klimawandel in der Arktis bisher stark unterschätzt wurde. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Atmospheric Chemistry and Physics veröffentlicht.

Der partikuläre Black Carbon entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von fossilen Brennstoffen, Biokraftstoffen und Biomasse und kommt in Aerosolen vor. Einerseits trägt Black Carbon zur Erwärmung der Atmosphäre bei, da die Partikel die Sonnenstrahlung absorbieren. Andererseits lagert es sich auf der Erdoberfläche und somit auch auf Eis und Schnee ab und verringert deren Reflexionsvermögen, was zu einem schnelleren Schmelzen führt. Da es in der Arktis kaum Quellen für Black Carbon gibt, wird angenommen, dass der größte Teil aus Regionen außerhalb der Arktis stammt.

Bisher waren die Schätzungen des relativen Beitrags der verschiedenen Quellen zum arktischen Black Carbon noch mit großen Unsicherheiten behaftet. Daher unternahm das internationale Forschungsteam mit Wissenschaftlern aus Japan, Deutschland und Frankreich im Rahmen des vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) in Deutschland geleiteten Projekts «Polar Airborne Measurements and Arctic Regional Climate Model Simulation Project» (PAMARCMiP) im März und April 2018 genaue Messungen in der Atmosphäre in bis zu fünf Kilometer Höhe in der Arktis. Die vertikalen Messprofile wurden mit dem AWI-Forschungsflugzeug Polar 5 und der Station Nord (81,6°N, 16,7°W) als Operationsbasis erstellt.

Die Forscher machen vor allem Waldbrände in den Regionen zwischen 45-60°Nord und 30-50°Ost bzw. 100-130°Ost für die erhöhten Black Carbon-Konzentrationen in der Arktis verantwortlich. Karte: Julia Hager/GoogleEarth

Um die Hintergründe jährlicher Schwankungen zu ermitteln, verglichen die Forscher die Messungen aus dem Frühjahr 2018 mit früheren Messungen aus den Jahren 2008, 2010 und 2015, die jeweils ebenfalls im Frühjahr durchgeführt wurden. Sie ermittelten für das Jahr 2018 Massenkonzentrationen von Black Carbon von 7 bis 23 Nanogramm pro Kubikmeter, die vergleichbar sind mit denen von 2010. Hingegen lagen die Werte in den Jahren 2008 und 2015 in allen Höhen bis fünf Kilometer deutlich darüber.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Schwankungen der Black Carbon-Konzentration mit der Häufigkeit von Waldbränden nördlich von 50° Nord korreliert, die anhand von Bildern des MODIS-Satelliten ermittelt wurden. Die Black Carbon Emissionen, die bei Waldbränden in Regionen in West- bzw. Osteurasien entstanden, wurden mit Luftmassen in die Arktis transportiert und waren dort laut der Forscher wahrscheinlich für den beobachteten Anstieg der Black Carbon-Werte im arktischen Frühling verantwortlich.

Die Wissenschaftler berichten, dass sie während der Flugmessungen im Jahr 2018 gelegentlich eine Verschmutzungsschicht in der Atmosphäre sehen konnten, die vermutlich auf Biomasseverbrennungen in den mittleren Breiten zurückgingen.

Links: Vertikales Profil der Massenkonzentrationen von Black Carbon, beobachtet während flugzeuggestützter Beobachtungen über der Arktis (>66,5°N) im Frühjahr in den Jahren 2008, 2010, 2015 und 2018. Rechts: Black Carbon-Massekonzentration in Höhen zwischen 0 und 5 km. Dargestellt sind Beobachtungen (blaue Kreise) und Modellsimulationen für anthropogenes Black Carbon (schwarze Balken) und Black Carbon aus der Biomasseverbrennung (gelbe Balken). Die von MODIS abgeleiteten durchschnittlichen Feuerzahlen sind ebenfalls dargestellt (rote Balken). Grafiken: Sho Ohata

Das Forschungsteam untersuchte auch, inwieweit aktuelle Modellsimulationen die beobachteten jährlichen Schwankungen der Black Carbon-Konzentrationen reproduzieren können. Der Vorteil der Modelle ist, dass sie Beiträge aus anthropogenen Black Carbon-Quellen und aus der Verbrennung von Biomasse getrennt abschätzen können. Diese gaben die Beobachtungen in den Jahren 2010 und 2018, als die Biomasseverbrennung gering war, relativ gut wieder. In den Jahren 2008 und 2015 allerdings, als viele Waldbrände auftraten, zeigten sie viel kleinere Werte als die Beobachtungen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die aktuellen Modelle den Beitrag des anthropogenen Black Carbon im Allgemeinen gut wiedergeben, während sie den Beitrag des Black Carbon aus der Biomasseverbrennung um den Faktor drei unterschätzen.

Die Autoren gehen davon aus, dass die Erwärmung der Atmosphäre durch Black Carbon in der Arktis im Frühjahr am größten ist, wenn dessen Massekonzentration am höchsten ist und die einfallende Sonnenstrahlung zunimmt. Die Menge an Black Carbon in der Arktis im Frühjahr ist auch deshalb von Bedeutung, weil geringfügige Änderungen des Zeitpunkts der Schnee- und Eisschmelze den Strahlungshaushalt in der Arktis beeinflussen können. Mit der zunehmenden Erwärmung steigt zudem die Wahrscheinlichkeit von Waldbränden in den mittleren und höheren Breiten, was wiederum zu einer Erhöhung der Black Carbon-Konzentration in der Arktis führt. Die aktuelle Studie hat gezeigt, dass die Menge des arktischen Black Carbon die Strahlungsverhältnisse in der Arktis stärker beeinflussen können als bisher angenommen.

Julia Hager, PolarJournal

Link zur Studie: Ohata, S., Koike, M., Yoshida, A., Moteki, N., Adachi, K., Oshima, N., Matsui, H., Eppers, O., Bozem, H., Zanatta, M., and Herber, A. B.: Arctic black carbon during PAMARCMiP 2018 and previous aircraft experiments in spring, Atmos. Chem. Phys., 21, 15861–15881, https://doi.org/10.5194/acp-21-15861-2021, 2021.

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