Röken från de extrema skogsbränderna på USA:s västkust i september 2020 färdades över många tusen kilometer till Centraleuropa, där det fortsatte att påverka atmosfären i dagar efteråt. En jämförelse av mark- och satellitmätningar visar nu:Skogsbrandaerosolen störde den fria troposfären över Leipzig i Tyskland som aldrig förr. En utvärdering av en internationell forskargrupp ledd av Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) avslöjade en extraordinär optisk tjocklek den 11 september 2020, vilket dämpade solljuset med en tredjedel. Studien, publiceras i Geofysiska forskningsbrev, är den första publikationen som visar att ESA:s nya Aeolus-satellit inte bara på ett tillförlitligt sätt kan mäta globala vindprofiler utan även aerosoler i atmosfären som det visades genom att jämföra Aeolus-mätningar med lidar-mätningar från marken. Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM) vid universitetet i Toulouse, German Aerospace Center (DLR) och European Space Agency (ESA) var involverade i studien.

Sedan augusti 2018, en ny typ av forskningssatellit har kretsat runt jorden, uppkallad efter en grekisk vindgud — Aeolus. Syftet med Aeolus är att aktivt mäta vind från rymden och på så sätt förbättra väderprognoserna. Ombord på denna satellit från European Space Agency (ESA) finns Atmospheric Laser Doppler Instrument (ALADIN), en högpresterande laser. ALADIN är det första instrumentet i rymden som aktivt kan mäta vertikala profiler av vindhastighet. Den använder principen för en ljusradar (kort:Lidar från "LIght Detection And Ranging"). En signal avges och reflektionen ger information om plats och avstånd. Dopplereffekten används sedan för att mäta vindhastigheten på olika höjder i atmosfären.

För att validera lasermätningarna i rymden, de jämförs med lasermätningar från marken. Flera forskargrupper från Tyskland är involverade i detta arbete inom ramen för EVAA-initiativet (Experimental Validation and Assimilation of Aeolus observations). TROPOS, till exempel, mäter med sina lidarapparater varje fredag ​​kväll och söndagsmorgon när Aeolus-satelliten flyger över Leipzig. Data från mark och rymden kan sedan jämföras. Den 11 september 2020, detta resulterade i den sällsynta konstellationen att den extraordinära rökplymen från de kaliforniska skogsbränderna kunde mätas över Leipzig samtidigt från marken och från rymden.

"Med hjälp av revolutionerande laserteknik, Aeolus är för närvarande den enda satelliten i världen som kan mäta profiler av horisontell vindhastighet såväl som backscatter och utsläckning av aerosoler och moln oberoende. Satelliten ger således värdefull information om dessa rökaerosolers strålningsegenskaper, " betonar Dr Sebastian Bley från TROPOS, som varit involverad i Aeolus-projektet vid Europeiska rymdorganisationens (ESA) forskningscenter ESRIN de senaste tre åren. "Det förväntas att denna unika konfiguration kommer att bidra till förbättrade förutsägelser av sådan global rökspridning men också av väder i allmänhet."

I september 2020, värmen från de extrema skogsbränderna på den amerikanska västkusten transporterade röken till höga höjder. Väl högt upp, den transporterades sedan med jetströmmen över Nordamerika och Atlanten till Europa. I Leipzig, Tyskland, röklagret dök upp på cirka 12 kilometers höjd på morgonen den 11.09.2020 och sjönk till en höjd av cirka 5 kilometer under dagen. Detta visas av data från PollyXT lidar på TROPOS. Lidarmätningar i Leipzig bekräftade den kraftiga dämpningen av det direkta solljuset denna fredag:"Det var – mätt med Aerosol Optical Thickness (AOT) – den starkaste inverkan av skogsbrandaerosolen på den fria troposfären ovanför Leipzig som någonsin observerats sedan början av reguljära lidar observationer 1997, " rapporterar Dr. Holger Baars från TROPOS.

"Den fria troposfären är den region i atmosfären där vädret äger rum men den direkta påverkan från marken är låg. Vi kunde uppskatta en genomsnittlig masskoncentration av skogsbrandaerosol på 8 mikrogram per kubikmeter mellan 4 och 11 km På toppen var det till och med 22 mikrogram per kubikmeter - det är ganska anmärkningsvärt för dessa höjder." Lördagen och söndagen var disiga dagar trots molnfri himmel. UV-index för Federal Office for Radiation Protection (BfS), bland andra, visade också hur starkt röklagren dämpade solstrålningen i Sachsen:TROPOS-stationen i Melpitz nära Torgau registrerade ungefär en fjärdedel mindre UV-strålning vid middagstid den 12 september 20 än vad som skulle ha varit möjligt under klar himmel. Atmosfärens ovanliga tillstånd var särskilt slående vid solnedgången med ett distinkt mjölkgult ljus.

Forskarna kunde bekräfta rökens ursprung med hjälp av en datormodell:Bakåtsimuleringen bevisar att luftmassorna som anlände vid middagstid den 11 september på en höjd av 8,5 km ovanför Leipzig härstammar från Nordamerikas västkust, där intensiva bränder ägde rum dagar innan. Frekvensen och intensiteten av bränder i Kalifornien fortsatte att öka under den första veckan i september som satellitbilder visar. Något svagare bränder observerades i Oregon, Washington och Montana. "På grund av de rådande vindarna, rökens restid från USA:s västkust till Europa var endast cirka 3 till 4 dagar. Luftmassorna tog sig till och med de cirka 3000 kilometerna över Atlanten mellan Newfoundland och Irland i hög hastighet på bara en dag (9 september), " förklarar Martin Radenz från TROPOS.

Jordobservationssatelliter har blivit ett viktigt verktyg för miljöforskning under de senaste decennierna, dokumenterar klimatförändringar globalt. Dock, behovet av kontinuerliga data å ena sidan och den begränsade livslängden för satelliter å andra sidan utgör stora utmaningar för forskningen:"Att mäta lidarkvoten (ett mått på backscatter-beteende och därmed en indikation på aerosoltyp) med Aeolus direkt från rymden är en nyhet och katapulter forskning om aerosol-moln interaktioner in i en ny era, " understryker Dr. Ulla Wandinger. "Resultaten som presenteras här visar att Aeolus delvis kan överbrygga gapet mellan NASA:s CALIPSO-uppdrag, som håller på att fasas ut, och det kommande EarthCARE-uppdraget."

EarthCARE är ett gemensamt japansk-europeiskt uppdrag som syftar till att studera effekterna av moln och aerosolpartiklar på jordens strålningsbudget. Satelliten är planerad att lanseras i början av 2023. "Aeolus designades för att mäta vind. Det faktum att den även tillhandahåller data om partiklar är en mycket välkommen biprodukt. i situationer där sammansättningen av aerosolskikten är mindre tydlig, det skulle vara bra att också kunna mäta polariseringen. Eftersom laserljuset roteras annorlunda när det reflekteras på mineraldamm, vulkanaska eller skogsbrandaerosol, det är lättare att avgöra var partiklarna har sitt ursprung som påverkar solstrålningen och molnbildningen. EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) kommer att kunna göra detta. Vi håller därför tummarna för denna satellit också, " säger doktor Ulla Wandinger. Tilo Arnhold