Die Aerosole bei MeteoSchweiz

4. September 2019, 4 Kommentare

Im letzten Teil der Blogserie rund um die Aerosole beleuchten wir die technischen Aspekte. Die Aerosolmessungen dienen in erster Linie der Langzeit-Überwachung: Wie ist hoch ist Konzentration? Wie sind die chemischen und optischen Eigenschaften der Aerosole für die globale Klimaüberwachung? Und wie analysieren wir das Zusammenspiel zwischen Aerosolen und Wolken? Die Messungen erlauben auch spezielle Ereignisse wie der Transport von Saharastaub über Europa und Aschewolken nach Vulkanausbrüchen oder Waldbränden zu detektieren und zu analysieren. Die Eigenschaften der Aerosole werden mit bodengestützten, in-situ und Fernerkundungs-Instrumenten gemessen.

Ceilometer auf der Kleinen Scheidegg misst Aerosole über dem Jungfaujoch (Foto: G. Martucci).
Ceilometer auf der Kleinen Scheidegg misst Aerosole über dem Jungfaujoch (Foto: G. Martucci).

Die optischen Eigenschaften der Aerosole und deren Einfluss auf das Klima

Das Paul Scherrer Institut (PSI) führt im Auftrag von MeteoSchweiz operationelle Aerosolmessungen an der hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch durch. Diese Messungen sind Teil des Beitrags der Schweiz zum GAW-Programm (Global Atmosphere Watch) der Weltorganisation für Meteorologie (WMO). Die Qualitätskontrolle und die Langzeit-Analyse der Daten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der aerologischen Station von MeteoSchweiz in Payerne. In diesem Rahmen werden die optischen Eigenschaften der Aerosole seit 1995 gemessen, wodurch die Messreihe auf dem Jungfraujoch eine der weltweit längsten ist. Die optischen Eigenschaften sind von herausragender Wichtigkeit um den Einfluss der Aerosole auf das Klima zu verstehen. Ebenfalls bestimmt werden die Teilchen- und Massenkonzentration sowie die Korngrössenverteilung und die chemische Zusammensetzung. Zusätzlich zu dieser hochalpinen Station werden diverse Instrumente in Payerne installiert, um die optischen Eigenschaften der Aerosole im Mittelland besser zu charakterisieren

Der ausgeprägte Jahresgang in der langen Messreihe zeigt deutlich, dass die Luftverschmutzung des Mittellandes und der Po-Ebene im Sommer durch Konvektion bis zum Jungfraujoch transportiert werden, während sich die Station im Winter in weniger verschmutzten Luftschichten befindet.

Dank der Messungen auf dem Jungfraujoch kann die Präsenz von Saharastaub automatisch detektiert und eine Warnung ausgegeben werden. Zudem werden an dieser Station jedes Jahr Messkampagnen zum Zusammenspiel zwischen den Aerosolen und den Wolken durchgeführt.

Messung der Aerosol-optischen Dicke

Die Präsenz von Aerosolen in der Atmosphäre vermindert die Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht. Dieser Effekt ist am Beispiel der bräunlichen Verfärbung des Himmels über Städten mit starker Luftverschmutzung erkennbar. Auf die gleiche Weise kann man manchmal auch die Höhe der atmosphärischen Schicht mit der stärksten Verschmutzung, der sogenannten Mischungsschicht, abschätzen. Auf dem folgenden Foto aufgenommen von Croce di Fana (2200m) zum Beispiel ist die die Mischungsschicht, deren Obergrenze in Fernerkundungsmessungen auf 2000 m detektiert wurde, deutlich zu sehen.

Die Opazität der Atmosphäre, die die Stärke der Abschwächung des Sonnenlichts durch die über alle Höhen verteilten Aerosole beschreibt, wird üblicherweise als „Aerosol-optische Dicke“ bezeichnet. Sie wird seit Mitte der 1990 durch das von MeteoSchweiz betriebene schweizerische Strahlungsmessnetz für die Überwachung des alpinen Klimas (SACRaM) mit Stationen in Payerne, Locarno-Monti, Davos und auf dem Jungfraujoch gemessen. Die optische Dicke ist eine wichtige Grösse im Strahlungsantrieb der Erde.

Aerosol-Profile der Atmosphäre

MeteoSchweiz beobachtet und untersucht die Aerosole auch mit Fernerkundungs-Instrumenten, die vertikale Profile der Konzentration und wichtiger Eigenschaften der Aerosole liefern. An der aerologischen Station in Payerne werden zwei verschiedene Typen von LIDAR-Instrumenten (Light Detection And Ranging) betrieben. LIDARs senden einen Laserstrahl in die Atmosphäre und messen, welcher Anteil dieser Strahlung von den atmosphärischen Teilchen zurückgestreut wird. Die LIDAR’s mit der einfachsten Bauweise und der schwächsten Laserleistung werden Ceilometer genannt und können Schichten von Aerosolen und Wolken detektieren. Im Auftrag der REGA hat MeteoSchweiz ein Netzwerk aus 34 Ceilometern aufgebaut um mehr Flüge unter schwierigen Wetterbedingungen zu ermöglichen. Zudem sind solche Instrumente auch an allen Flughäfen installiert.

Das komplexeste LIDAR-System, ein sogenanntes Raman-LIDAR, erlaubt zudem die Messung von Feuchte- und Temperatur-Profilen, sowie verschiedener optischer Eigenschaften der Aerosole. Das Raman-Lidar RALMO ist Payerne seit 2008 im operationellen Betrieb und liefert wichtige klimatologische Informationen. Aktuell werden zudem weitere Anwendungen wie die Vorhersage von Nebel entwickelt.

Besondere Ereignisse

Alle Aerosol-Messungen werden zum Verständnis und der Analyse von speziellen Ereignissen eingesetzt, zum Beispiel beim Transport von Saharastaub, Rauch aus Waldbränden oder Vulkanasche (Blogs vom 31. Mai 2016, 24. August 2017, 30. August 2017, 5. Juli 2018). Die eingesetzten Fernerkundungs-Instrumente messen die komplexe Struktur der unteren Troposphäre. Unten abgebildet sind Messungen des Raman-LIDARs, die den Zustand der untersten 8 Kilometer der Atmosphäre am 30. März 2014 zeigen. Zwei verschiedene Luftmassen wurden damals über die Schweiz transportiert und sind in den Messungen sehr deutlich zu sehen: Zwischen 4 und 6 km Höhe eine Schicht mit hohen Konzentrationen an mineralischem Staub aus der Sahara und darunter, zwischen 1.5 und 3 km, sulfat- und aerosolreiche Luft aus Norditalien (Po-Ebene).

Vergrösserte Ansicht: Quelle: MeteoSchweiz
Quelle: MeteoSchweiz

Fazit

In den letzten Wochen wurden fünf Blogs zu unterschiedlichen Aspekten der Aerosole publiziert. Sie haben Ihnen wahrscheinlich aufgezeigt, dass Aerosole eine wichtige Rolle bei verschiedenen atmosphärischen Prozessen spielen und bedeutende Auswirkungen auf den Klimawandel haben. Seit fast 30 Jahren werden sie bodengestützt gemessen und heute werden die Fernerkundungs-Messsysteme weltweit massiv ausgebaut. Das von MeteoSchweiz koordinierte europäische Ceilometer-Netzwerk E-PROFILE (ein Programm von EUMETNET) erlaubt einen umfassenden Blick über die Verteilung von Aerosolen und der Wolkenbasis.

Vergrösserte Ansicht: Logarithmus der Aerosolrückstreuung gemessen von den Ceilometern des Netzwerks E-PROFILE am 28. August 2018. Die Prognose der AOD (Farben im Hintergrund) wurde von der Atmosphärenmodell CAMS berechnet.
Logarithmus der Aerosolrückstreuung gemessen von den Ceilometern des Netzwerks E-PROFILE am 28. August 2018. Die Prognose der AOD (Farben im Hintergrund) wurde von der Atmosphärenmodell CAMS berechnet.

Einige Atmosphärenmodelle wie CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) oder BSC  (Barcelone Super Computer) erstellen Prognosen für die verschiedenen Aerosol-Typen. Zahlreiche Forschungsprojekte aus anderen Bereichen beschäftigen sich mit der Produktion von Aerosolen für industrielle oder medizinische Anwendunge, ihrem Transport in dynamischen und biologischen Systemen, ihrer Toxizität, ihrer Kalibration und den Messungen ihrer Eigenschaften. Die Aerosol-Forschung ist also ein sehr interessantes aber komplexes Gebiet, das die Forschungsrichtungen der Materialwissenschaften, der Medizin und der Umweltwissenchaften einschliesst.

 

Links - Blogserie Aerosole 2019

Teil 1/5: Aerosole, die kaum bekannte Komponente der Atmosphäre

Teil 2/5: Aerosole und Wolkenbildung

Teil 3/5: Die Aerosole und das Klima

Teil 4/5: Aerosole und die Gesundheit

Kommentare (4)

  1. L.S., 06.09.2019, 17:22

    Danke für den spannenden Artikel, wie sieht es mit der Sicherheit, spezifisch der Augensicherheit von Ceilometer aus? Sind diese sicherer geworden zu den alten, teilweise sehr "gefährlichen" Ceilometer. Speziell interessiert mich auch die Anwendung mit geneigten Ceilometer wie das im Bild abgebildete Instrument zum Jungfraujoch.

    Und wie viele von den geneigten Ceilometer betreibt MeteoSchweiz, sind sicherlich interessante Informationen auch im Hinblick auf Möglichkeit der Tomographie.

    1. MeteoSchweiz, 10.09.2019, 10:50

      MeteoSchweiz nutzt nur einen geneigten Ceilometer. Dieser befindet sich auf der Station des Jungfraujochs. Der Grund dafür ist die Abschätzung der planetarischen Grenzschicht. Alle Ceilometer sind Klasse 1M und gewährleisten die Augensicherheit.

      Freundliche Grüsse, MeteoSchweiz

  2. Bächler Thomas, 04.09.2019, 11:07

    Ist es ein Zufall, dass Aerosole seit 30 Jahren gemessen werden, also dem Zeitpunkt etwa zu dem meiner Meinung nach angefangen wurde mit SRM (solar radiation management aka Geo-engineering)?

    1. MeteoSchweiz, 05.09.2019, 11:30

      Es besteht kein direkter Zusammenhang zwischen SRM und dem Start der Aerosolmessungen.
      Es ist jedoch klar, dass sich die Wissenschaftler damals der Rolle der Aerosole bei der globalen Erwärmung bewusst wurden und daher begannen, diese wichtige atmosphärische Komponente zu messen.