Mineralstaub ist ein entscheidender, aber immer noch unterschätzter Faktor im globalen Klimasystem. Er beeinflusst die Luftqualität, die Wolkenbildung, die Strahlungsbilanz der Erde und sogar den Niederschlag. Dennoch sind die Prozesse, die Staubemissionen antreiben, und ihre klimatischen Auswirkungen seit langem nur unzureichend verstanden. Drei internationale Forschungsprojekte – J-WADI, FRAGMENT und WIND-O-V – haben in den letzten Jahren entscheidend dazu beigetragen, dieses Bild zu schärfen.

J-WADI – Große Partikel im Fokus der Staubforschung

Das J-WADI-Projekt konzentrierte sich auf die Frage, wie viel große Staubpartikel tatsächlich zu den Gesamtemissionen beitragen. Im September 2022 wurden unter der Koordination des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) umfangreiche Feldkampagnen in der jordanischen Wüste bei Wadi Rum durchgeführt. Die Region bot ideale Bedingungen: weite, spärlich bewachsene Flächen, lockere Sedimente und häufige Staubereignisse.

Es wurde eine Multi-Instrument-Strategie angewendet, um das gesamte Spektrum von Partikeln von ultrafeinen bis zu sehr großen Größen abzudecken. Im Mittelpunkt dieses Aufbaus stand das Fidas® 200S von Palas, ein EN 16450-zertifiziertes Feinstaubmessgerät, das hochauflösende Echtzeitdaten für PM1, PM2,5 und PM10 liefert. Ergänzt wurde es durch das welas® 2500, das für grobe Partikel über zehn Mikrometer optimiert ist, und den Cloud Droplet Analyzer (CDA), mit dem große kugelförmige Partikel und Tröpfchen gemessen werden konnten.

Die Messungen zeigten erstmals, dass Partikel größer als zehn Mikrometer bis zu 90 Prozent der gesamten Staubmasse ausmachen können. Besonders auffällig war ein Maximum bei etwa 60 µm – eine Größenklasse, die in Klimamodellen selten berücksichtigt wird. Darüber hinaus waren Partikel größer als 60 µm noch in mehreren Metern Höhe über dem Boden nachweisbar, was darauf hindeutet, dass solche großen Partikel von starken Winden über mehrere Kilometer transportiert werden können – deutlich weiter als bisher angenommen.

Die Auswirkungen sind erheblich: Große Partikel verändern die Strahlungsbilanz, verschlechtern die lokale Luftqualität, sammeln sich auf Infrastrukturen an und können bei starken Staubereignissen die Effizienz von Photovoltaikanlagen um bis zu 30 Prozent verringern. Die Daten wurden bereits in internationale Klimamodelle integriert und verbessern die Prognosen sowohl für das Klima als auch für die Luftqualität.

FRAGMENT – Mineralogie und Zusammensetzung als Klimatreiber

Während J-WADI die Bedeutung der Partikelgröße hervorhob, konzentrierte sich das FRAGMENT-Projekt auf die Zusammensetzung des Staubs. Im September 2019 wurden Messungen im unteren Drâa-Tal in Marokko durchgeführt, einem Hotspot für frisch emittierten Staub. Ziel war es, nicht nur die Größenverteilung, sondern auch die Mineralogie und die physikalischen Eigenschaften detailliert zu charakterisieren.

Auch hier spielte das Fidas® 200S eine zentrale Rolle. Mit seiner Fähigkeit, Partikelgrößen in 63 Kanälen zwischen 0,2 und 19,1 µm kontinuierlich aufzulösen, lieferte es hochpräzise Verteilungen der relevanten Fraktionen. Ergänzende Proben wurden mit Impaktoren und Probenehmern gesammelt und anschließend im Labor mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) analysiert.

Die Ergebnisse zeigten, dass Feldspatpartikel weitaus häufiger vorkommen als bisher angenommen. Reiner Feldspat macht etwa 3,2 Prozent der Staubmasse aus, während intern gemischter Feldspat in größeren Partikeln bis zu 18 Prozent erreichen kann. Feldspat ist als effiziente Eiskeimbildner bekannt und beeinflusst somit direkt die Wolkenbildung. Ebenso wichtig war der Nachweis von Eisenoxiden und -hydroxiden, insbesondere in Partikeln kleiner als 2 µm, die durch Absorption von Sonnenlicht den Strahlungshaushalt stark beeinflussen.

Eine weitere wichtige Erkenntnis war die Rolle der trockenen Deposition: Große Partikel werden sehr schnell aus der Atmosphäre entfernt. Selbst Partikel mit einem Durchmesser von nur 5 µm werden in der Nähe der Quelle mit einer Rate von etwa 65 Prozent abgeschieden. Das bedeutet, dass Messungen, die weit entfernt von Emissionspunkten durchgeführt werden, den Anteil großer Partikel systematisch unterschätzen – einer der Hauptgründe, warum viele Klimamodelle die tatsächlichen Auswirkungen von Mineralstaub an seiner Quelle bisher nur unzureichend dargestellt haben.

FRAGMENT hat somit das wissenschaftliche Verständnis erweitert und gleichzeitig praktische Erkenntnisse für die Landwirtschaft, die Solarenergie und die regionale Luftqualität geliefert.

WIND-O-V – Atmosphärische Prozesse der Staubemission

Das bereits 2017 durchgeführte Projekt WIND-O-V untersuchte die Mechanismen der Staubemission im Süden Tunesiens. Auf dem Dar Dhaoui Experimental Range – einem natürlichen Staub-Hotspot – untersuchten die Forscher die Rolle von Windgeschwindigkeit, thermischer Schichtung und Turbulenzen.

Dabei kamen hochauflösende Palas-Geräte zum Einsatz: das Aerosolspektrometer welas® 2300, das Größenverteilungen zwischen 0,2 und 40 µm direkt an der Quelle misst, und das Promo® 2000, das zeitaufgelöste Messungen lieferte, mit denen dynamische Veränderungen im Partikelfluss erfasst werden konnten. In Kombination mit meteorologischen Sensoren und Eddy-Kovarianz-Systemen ergab sich so ein umfassendes Bild der Emissionsprozesse.

Die Ergebnisse waren eindeutig: Die thermische Stabilität der Atmosphäre hat einen starken Einfluss auf die Staubfreisetzung. Unter instabilen Bedingungen mit starker Durchmischung werden weitaus mehr Partikel emittiert, während stabile Schichtungen die Emissionen deutlich begrenzen. Auch großräumige Turbulenzstrukturen wie Thermiken erwiesen sich als entscheidend, da sie lokale Windscherungen erzeugen und die Bodenoberfläche aufwirbeln.

Diese Erkenntnisse sind für die Praxis von unmittelbarer Relevanz. Sie tragen zur Verbesserung von Frühwarnsystemen für Staubstürme bei, die sowohl für die betroffene Bevölkerung als auch für die Luftfahrt von entscheidender Bedeutung sind. Sie sind auch für den Solarenergiesektor von großem Wert, wo Staubablagerungen die Leistung von Photovoltaikanlagen erheblich beeinträchtigen können.

Zusammen zeigen die drei Projekte, dass Mineralstaub größer, vielfältiger und klimarelevanter ist als bisher angenommen. Sie zeigen, dass Größe, Zusammensetzung und Emissionsprozesse berücksichtigt werden müssen, um die Auswirkungen von Staub auf die Strahlungsbilanz, die Wolkenbildung und die Luftqualität realistisch zu erfassen.

Dank der hochauflösenden Technologie von Palas – vom zertifizierten Feinstaubmessgerät Fidas® 200S über vielseitige Instrumente wie welas® System und Promo® 2000 bis hin zum Cloud Droplet Analyzer (CDA) – konnten Daten von beispielloser Qualität gewonnen werden. Diese Erkenntnisse wurden bereits in internationale Klimamodelle integriert und tragen heute zu genaueren Staubprognosen, zuverlässigeren Bewertungen der Klimaauswirkungen und gezielteren Anpassungsstrategien bei.

Literatur

J-Wadi

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Fragment

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WIND-O-V

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