Bessere Vorhersage für die Luftfahrt: Die Mischung macht‘s

Eruption des Raikoke am 21. Juni 2019 aufgenommen von der Internationalen Raumstation (ISS)

Am 21. Juni 2019 ist auf einer russischen Insel im Nordwestpazifik der Vulkan Raikoke ausgebrochen. Während des Ausbruchs wurden über eine Dauer von 9 Stunden 1.5 Mt SO₂ und 1.9 Mt sehr feiner Vulkanasche mit Partikeldurchmessern kleiner als 32 µm ausgestoßen. Diese Aschepartikel sind klein genug, um sich in der Atmosphäre für mehrere Monate oder gar Jahre aufzuhalten und währenddessen über mehrere tausend Kilometer transportiert zu werden.

Da Vulkanasche eine große Gefahr für Flugzeuge darstellt, ist eine korrekte und zuverlässige Vorhersage deren Ausbreitung in der Atmosphäre unerlässlich für die Sicherheit der Luftfahrt. Eine solche Vorhersage ist nur möglich, wenn alle physikalischen und chemischen Prozesse, welche die Ausbreitung beeinflussen, im Vorhersagemodell berücksichtig werden. Diese Prozesse umfassen Quellen- und Senkenprozesse sowie die Interaktion der Partikel untereinander. In den letzten Jahren wurden Parametrisierungen vulkanischer Emissionen von verschiedenen Forschergruppen entwickelt. Dabei wurde beispielsweise untersucht wie viel Vulkanasche während eines Ausbruchs in welcher Höhe und über welchen Zeitraum in die Atmosphäre eingebracht wird und welcher Anteil dieser Aschepartikel klein genug ist, um über weite Strecken transportiert werden zu können. Im Gegensatz dazu erfuhr die Erforschung des Einflusses von Senkenprozessen sowie der Interaktion der Partikel untereinander weniger Aufmerksamkeit. Dies hat zur Folge, dass bis heute aerosoldynamische Prozesse und die Wechselwirkung von Strahlung und Aerosolpartikeln in Vorhersagemodellen für die Ausbreitung von Vulkanasche nicht berücksichtigt werden. Aerosoldynamische Prozesse umfassen beispielsweise die Neubildung von Nicht-Vulkanaschepartikeln aus gasförmigen Vorläufersubstanzen, wie z.B. SO₂, sowie die Interaktion dieser neuen Partikel mit Vulkanasche, wodurch sogenannte gealterte Vulkanasche entsteht. Diese gealterten Aschepartikel sind in der Regel größer und erfahren dadurch eine größere Schwerkraft. Sie fallen deshalb schneller aus, was ihre Lebensdauer in der Atmosphäre verkürzt. Im Gegensatz dazu heizt solare und thermische Strahlung (gealterte) Aschepartikel auf, wodurch diese in der Atmosphäre aufsteigen können und ihre Lebensdauer verlängert werden kann.

In der Arbeitsgruppe “Spurenstoffmodellierung und Klimaprozesse“ erweitern wir das Modellsystem ICON-ART mit dem Ziel die Vorhersagequalität zu verbessern, um für den nächsten großen Vulkanausbruch vorbereitet zu sein. Hierfür haben wir die beschriebenen Prozesse in unserem Model ergänzt. Um zu zeigen, dass sich die Vorhersagegenauigkeit der Ausbreitung von Vulkanasche dadurch verbessert, haben wir die Raikoke Eruption untersucht. Für diesen Ausbruch, welcher zu einem der größten Vulkanausbrüche der vergangenen 30 Jahren zählt, gibt es eine Vielzahl an Satellitenmessungen, mit denen die Simulationsergebnisse verglichen werden können.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass etwa 50 % der sehr feinen Vulkanasche aufgrund der Partikelalterung und des damit einhergehenden Wachstums aus der Atmosphäre ausfallen. Dem gegenüber steigt die maximale Höhe der Vulkanaschewolke um mehr als 6 km über die Dauer der ersten vier Tage nach der Eruption aufgrund der Aerosol-Strahlungswechselwirkung. Diese Effekte wären ohne unsere Erweiterungen im Modell nicht sichtbar. Unsere Studie zeigt zum ersten Mal wie die kombinierte Betrachtung der Aerosoldynamik und der Aerosol-Strahlungswechselwirkung die Genauigkeit der Ausbreitungsvorhersage sehr feiner Vulkanasche in ICON-ART verbessert und die Modellergebnisse dadurch näher an die Satellitenmessungen heranbringt. Damit können auch in Zukunft zuverlässigere Aussagen zur Flugsicherheit nach Vulkanausbrüchen getroffen werden.