Vulkanasche-Vorhersage mit ICON-ART

Der Ausbruch des Eyjafjallajökulls in Island 2010 wird vielen noch in Erinnerung sein. Damals wurde der europäische Luftraum großräumig für mehrere Tage gesperrt, da die Vulkanasche eine Gefahr für Flugzeuge darstellt. Darüber hinaus können Partikel aus Vulkanausbrüchen in der Atmosphäre durch Wechselwirkungen mit der Strahlung oder der Wolkenbildung das Wetter und das Klima beeinflussen.

Während eines Vulkanausbrauchs können große Mengen (mehrere Tg) an sehr kleinen Aschepartikeln und Gasen, z.B. SO2, in die Atmosphäre emittiert werden. Das SO2 kann dort durch chemische Reaktionen in Sulfatpartikel umgewandelt werden, welche dann wie die Asche durch Strömungen in der Atmosphäre ausgebreitet werden. Asche und Sulfat gehen mit fortschreitender Zeit weitere Bindungen untereinander oder mit weiteren Spurenstoffen der Atmosphäre ein. Dieser sogenannte Alterungsprozess erzeugt ein gemischtes Aerosol. Dadurch ändert sich nicht nur die chemische Zusammensetzung der Partikel, sondern auch deren optische Eigenschaft, im Besonderen deren Absorptions- und Streuverhalten im nahen und mittleren Infrarotbereich. Um zukünftig großräumige Sperrungen des Luftraums nach einem Vulkanausbruch zu vermeiden, ist es notwendig die Ausbreitung der vulkanischen Aerosole in der Atmosphäre zuverlässig vorhersagen zu können. In der Arbeitsgruppe „Spurenstoffmodellierung und Klimaprozesse“ verbessern wir hierzu das Modellsystem ICON-ART, um für den nächsten großen Vulkanausbruch in Europa gewappnet zu sein. Hierfür wurden verschiedene Alterungsprozesse für Aerosole sowie deren geänderten optischen Eigenschaften in ICON-ART eingebaut. Auf Grundlage dieser Erweiterungen ist es möglich die Modellergebnisse mit Messdaten, welche hauptsächlich aus Satellitendaten und Lidaren abgeleitet werden, direkt zu vergleichen.

Ein Ereignis, für welches wir unsere Erweiterungen durch Vergleich mit Beobachtungen testen können, ereignete sich am 21. Juni 2019 auf einer russischen Insel im Nordwestpazifik. Dort brach gegen 18 Uhr (UTC) der Vulkan Raikoke aus und schleuderte über eine Dauer von etwa 9 Stunden 1,5 Tg SO2 sowie 1,9 Tg sehr kleiner Aschepartikel in bis zu 14km Höhe. Es handelt sich dabei um einen der stärksten Vulkanausbrüche der letzten Jahre. Die Ausbreitung der entstehenden Aerosol- und Gaswolke wurde mit ICON-ART simuliert und ist in der Animation zu sehen. Hier ist beispielhaft die Ausbreitung der SO2 – Wolke gezeigt. Die dargestellte Oberfläche entspricht der Fläche einer konstanten Konzentration von 100 µg SO2 pro kg Luft. Äußerst beeindruckend ist die komplexe Verteilung des emittierten Gases durch die vorherrschenden Strömungsverhältnisse.

Arbeitsgruppe: Aerosols, Trace Gases and Climate Processes