Skogsbränderna 2019/20 i Australien transporterade mer rök till atmosfären än någonsin tidigare någonstans i världen. Under den så kallade svarta sommaren nådde tre gånger så många partiklar höga luftlager som vid de tidigare rekordstora skogsbränderna i Kanada under sommaren 2017. Två analyser ledda av Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) avslöjar nu klimatpåverkan av dessa enorma bränder:Rökpartiklar med en total massa på runt en miljon ton spreds över södra halvklotet och påverkade klimatet i ungefär ett och ett halvt år genom att värma upp den övre atmosfären och kyla ner den nedre atmosfären nära jordytan.

Från subtropikerna till Antarktis dämpades solljuset ännu mer än under vulkanen Pinatubos utbrott 1991. Röken bidrog troligen också till det rekordhöga ozonhålet över Antarktis 2020, och bildade en virvel på 1 000 kilometer i diameter som passerade över den södra delen av Antarktis. Halvklotet i flera veckor, vilket anses vara det första beviset på att rök från skogsbränder också kan förändra vindar på hög höjd i stratosfären. Eftersom sådana extrema bränder förväntas bli vanligare på grund av klimatförändringar är det mycket viktigt att beakta röken och dess effekter på jordens energibalans i klimatscenarier, skriver forskarna i tidskriften Atmospheric Chemistry and Physics i> (ACP ).

Rekordera skogsbränder i Australien

Mellan september 2019 och januari 2020 brann nästan dubbelt så mycket område som i någon annan extrem brand i Australien som hittills dokumenterats. Bränderna nådde sin topp mellan den 29 december 2019 och den 4 januari 2020, varför de nu i vetenskaplig litteratur kallas Australian New Year Super Outbreak (ANYSO) och i vardagsspråk kallas Black Summer bushfires.

På grund av den höga värmen bildades 38 brandmoln (Pyrocumulonimbus, förkortat PyroCb) som transporterade röken till höga höjder med tio gånger hastigheten för en hiss. Mer än hälften av dessa PyroCb-moln transporterade rökpartiklarna direkt upp till en höjd av 14 till 16 kilometer in i den nedre stratosfären. Som med ett vulkanutbrott gäller samma sak för skogsbränder:ju högre partiklarna når desto längre sprids de och desto mer långvarig är deras effekt på klimatet. Partiklar i de nedre atmosfäriska lagren tvättas vanligtvis snabbt ut av nederbörd (inom dagar till några veckor) och har därför liten effekt på klimatet.

Skogsbränderna i sydöstra Australien släppte ut cirka 1 miljon ton rökpartiklar i atmosfären runt årsskiftet 2019/20. Det är ungefär fyra gånger så mycket som vid tidigare års skogsbränder. Rökpartiklarna spreds genom södra halvklotets mittbreddgrader inom några dagar på grund av höghöjdsvindarna och innehåller bland annat sotaerosol.

Dessa mörka partiklar absorberar solenergi och är bland de starkaste värmande kortlivade klimatkrafterna. Rök från sådana extrema skogsbränder har dock ännu inte varit tillräckligt representerad i aerosolklimatmodeller. En internationell forskargrupp ledd av TROPOS har därför analyserat svarta sommarens skogsbränder för att bättre förstå hur sådana händelser påverkar klimatet.

Många mätningar på södra halvklotet ger en förbryllande bild

För sin studie använde forskarna satellitdata för den optiska tjockleken av aerosollager (AVHRR från National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) och CALIOP rymdlidar). De jämförde den atmosfäriska opaciteten med solfotometermätningarna i det internationella AERONET-nätverket, som driver stationer i Punta Arenas (Chile), Amsterdam Island (Indiska oceanen), Marambio (nära Antarktishalvön), Vechernaya Hill (Östra Antarktis) och vid Sydpolen, bland annat. Dessutom var de långtidsobservationer som utfördes med två markbaserade Raman-lidarer i Punta Arenas (Chile) och Río Grande (Argentina) vid Sydamerikas sydligaste spets avgörande.

Dessa mätningar kan anses representativa för den södra delen av södra halvklotet och möjliggjorde även jämförelser med andra extrema skogsbränder på norra halvklotet. Båda mätningarna hade ursprungligen olika vetenskapliga syften:Lidarobservationerna i Punta Arenas ägde rum som en del av DACAPO-PESO-kampanjen (Dynamics, Aerosol, Cloud And Precipitation Observations in the Pristine Environment of the Southern Ocean) från november 2018 till november 2021. Huvudsyftet med denna mätkampanj av University of Magallanes (UMAG), TROPOS och Leipzig University var att studera aerosol-molninteraktionsprocesser under de rena förhållandena på södra halvklotet.

Lidarobservationerna i Río Grande var en del av HALO-uppdraget SOUTHTRAC-GW (Southern Hemisphere Transport, Dynamics, and Chemistry-Gravity Waves), där ett stort internationellt team ledd av German Aerospace Center (DLR) undersökte atmosfäriska gravitationsvågor i södra Amerika med forskningsflygplanet HALO i september 2019. DLR:s Compact Rayleigh Autonomous Lidar (CORAL) användes också, vilket gav viktiga data om rökens optiska egenskaper mellan 15 och 30 kilometers höjd. Den stora mängden data gjorde det möjligt att observera ett nytt fenomen, att jämföra skogsbränderna med tidigare rekordstora skogsbränder i Nordamerika och även att upprätta kopplingar till ozonhålet:

En unik rökvirvel

Det har länge varit känt att skogsbränder i princip skapar sitt eget väder, men ett nytt fenomen observerades i samband med Black Summer-bränderna i januari–mars 2020:En självförsörjande virvel med en diameter på cirka 1 000 km och en vertikal utsträckning på ca. 5 km. Denna extremt stabila virvel kvarstod i stratosfären i över 13 veckor, korsade Stilla havet österut inom två veckor och svävade över Sydamerikas spets i mer än en vecka.

Detta följdes av en 10-veckors resa runt jorden i västlig riktning som kunde spåras över 66 000 km i början av april 2020. Virveln transporterade rök och fukt upp till en höjd av 35 km - en höjd som inte nås av troposfären aerosoler sedan vulkanutbrottet i Pinatubo. Denna virvel fångade rökpartiklarna och hindrade dem från att spridas och spädas ut. Absorptionen av solstrålning av röken i mitten ledde till uppvärmning och moturs cirkulation, som ett högtrycksområde på södra halvklotet.

"Ingenting liknande detta har observerats tidigare. Detta är det första beviset på att rök också orsakar förändringar i vindar i stratosfären och öppnar upp en helt ny riktning för vetenskaplig forskning. Inverkan av skogsbränder på atmosfären kan vara mycket större än vi tidigare trott. ," understryker Dr. Albert Ansmann från TROPOS.

ANYSO som ny rekordhållare

Lidarmätningar av TROPOS från tidigare år gjorde det möjligt att jämföra skogsbränderna i Australien med två andra stora bränder:De rekordstora skogsbränderna i Kanada (Pacific Northwest Event, PNE) i augusti 2017 hade transporterat endast cirka en tredjedel av aerosolmassan in i övre stratosfären i jämförelse. Under denna händelse kunde röken från fem brandmoln över British Columbia observeras över Europa fram till januari 2018.

Extremt starka bränder inträffade också i juli/augusti 2019 i Sibirien norr och nordost om Bajkalsjön (SIberian Lake Baikal Event, SILBE), där inga brandmoln observerades. Röken steg därför troligen långsamt till höga höjder via solstrålning inom en vecka. Genom lidarmätningar på forskningsisbrytaren Polarstern kunde rök från dessa bränder observeras i regionen runt Nordpolen under den internationella MOSAiC-expeditionen mellan oktober 2019 och maj 2020.

Röken från 2017 års kanadensiska skogsbränder (PNE) omfattade cirka 0,3 miljoner ton material, bildade ett lager cirka 1 till 4 kilometer tjockt, steg till en höjd av 20 kilometer och svävade i atmosfären i cirka 8 månader. Röken från de sibiriska skogsbränderna (SILBE) 2019 bildade ett lager som var cirka 7 till 10 kilometer tjockt, steg till en höjd av 18 kilometer och förblev svävande i atmosfären i cirka 5 månader.

Röken från de australiensiska skogsbränderna 2019/20 (ANYSO) omfattade cirka 1 miljon ton material, bildade ett lager cirka 10 till 14 kilometer tjockt, steg till en höjd av 24 kilometer och svävade i atmosfären i cirka 20 månader.

"De australiensiska skogsbränderna 2019/20 är definitivt de skogsbränder som hittills har haft störst påverkan på atmosfären och det globala klimatet. Dimensionerna är jämförbara med utbrottet av Pinatubo i Filippinerna 1991. Vid den tiden nådde partiklarna höjder på 25 kilometer och svävat i atmosfären i cirka 14 månader. Bara storleken på partiklarna skiljer sig markant:Vulkanens askpartiklar, med en diameter på cirka 1 mikrometer, var ungefär dubbelt så stora som rökpartiklarna från de australiska skogsbränderna." rapporterar Albert Ansmann från TROPOS.

Rök som katalysator för ozonhålet?

Under 2020/21 observerades tre händelser med rekordstor ozonnedbrytning:Ett extremt starkt ozonhål bildades över centrala Arktis i mars/april 2020, och ytterligare extrema över Antarktis i september till november 2020 respektive 2021. Under alla tre händelserna flöt en ovanligt stor mängd rök i atmosfären i polarområdena, vilket framgår av lidarmätningarna.

Ur forskarnas synvinkel är detta en tydlig indikation på samband, eftersom de observerade en tydlig överensstämmelse mellan skiktet med den starkaste ozonnedbrytningen ovanför ozonsondernas stationer (14–25 km höjd), skiktet med en ökad ozonnedbrytning. partikelytans koncentration ovanför Punta Arenas (10–24 km höjd) och det höjdområde inom vilket CALIOP-satellitdata detekterade polära stratosfäriska moln (främst ovanför Antarktis på 13–26 km höjd).

"Polära stratosfäriska moln (PSC) är kända för att ha kemiska processer på sina ytor som påskyndar ozonnedbrytningen. Därför misstänker vi starkt att röken har lett till dessa höga moln och att dessa moln i sin tur har lett till en kraftig ozonnedbrytning. Detta skulle inte vara goda nyheter för människorna i och runt polarområdena.Om klimatförändringarna som väntat leder till tätare och allvarligare skogsbränder skulle ozonhålen spridas över Arktis och Antarktis, och med dem risken för hudcancer, " förklarar Kevin Ohneiser från TROPOS.

Kylande effekt som ett stort vulkanutbrott

Data användes även för en simulering med den moderna globala aerosolklimatmodellen ECHAM6.3-HAM2.3. Denna modell använder en aerosolmikrofysikmodell för att beskriva utvecklingen av olika aerosoltyper. Detta gör det möjligt att uppskatta deras inverkan på atmosfärens strålningsbalans:Modellsimuleringarna bestämde en uppvärmningseffekt i den övre atmosfären (TOA) på +0,5 watt per kvadratmeter på södra halvklotet och +0,25 watt per kvadratmeter globalt. På jordens yta (botten av atmosfären, BOA) uppskattades solstrålningskraften till cirka -0,75 watt per kvadratmeter under klar himmel. Detta motsvarar den kyleffekt som orsakas av ett stort vulkanutbrott.

"Vi blev förvånade över hur mycket skogsbränderna i sydöstra Australien ökade opaciteten i de övre luftlagren på södra halvklotet, och därmed förändrade strålningsbalansen. Dessa förändringar påverkade klimatet på södra halvklotet under ett och ett halvt år. Men, de kan i huvudsak tillskrivas endast fyra dagars rök från pyrokonvektion", säger Dr. Bernd Heinold från TROPOS.

Wildbrands blir viktigare för klimatmodeller

Effekten av aerosol från skogsbrand på energibalansen för bränder med så höga brandmoln har förmodligen underskattats i modeller hittills, eftersom den vertikala rökfördelningen är avgörande för den strålningseffekten, men det har funnits lite kunskap om denna skogsbrandsegenskap. "Sådana förbättringar är väsentliga för varje uppskattning av jordens energibalans och klimattillstånd. Därför blir det allt viktigare att bättre göra det möjligt för klimatmodeller att hantera effekterna av skogsbränder på atmosfären, eftersom de förväntas öka i frekvens och svårighetsgrad. över hela världen som svar på antropogen klimatuppvärmning", förklarar prof. Ina Tegen från TROPOS.

"Den ökade risken för allvarliga skogsbränder är relaterad till extrem torka. Mer frekventa och intensiva väderextremer ökar också sannolikheten för att dessa mycket högt räckande brandmoln kommer att bildas oftare i framtiden." Rekordbrytande bränder som den i Australien 2019/20 kan upprepas i andra regioner i världen under de kommande åren och få en allt större inverkan på det globala klimatet. + Utforska vidare

Australiens "Black Summer"-bränder påverkade ozonlagret:studie