Ausbildung 2: Saharastaub über Bern

Das Institut für Angewandte Physik betreibt einen Ceilometer, der die Höhe der Wolkenuntergrenze überwachen kann. Das Ceilometer ist ein vertikal ausgerichtetes Lidar, das Infrarot-Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1064 nm aussendet. Ein kleiner Teil der emittierten elektromagnetischen Wellen wird von Wassertröpfchen und Staubpartikeln (Aerosolen) in der Atmosphäre elastisch zurückgestreut. Elastisch bedeutet, dass sich die Wellenlänge des Lichts nach dem Streuvorgang nicht ändert.

Abbildung 1: Das Schema erklärt die Streuung einfallenden Lichts durch ein Teilchen in der Atmosphäre.

Der Ceilometer misst die Signallaufzeit zwischen der anfänglichen Impulsaussendung und dem Echoempfang durch den Ceilometer am Boden. Die Höhe der Aerosole ist gegeben durch h=0,5 ct, wobei t die Laufzeit und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Stärke des empfangenen Signals gibt Aufschluss über die Konzentration der Aerosole.

Abbildung 2: Das Ceilometer CHM15K im Werk und in Betrieb.

Das entfernungskorrigierte Signal (RCS) der Echos kann als Signal-Rausch-Verhältnis ausgedrückt und als Funktion von Höhe und Zeit dargestellt werden. Abbildung 3 zeigt unsere Messungen von verstärkten Rückstreusignalen von Wolken und Saharastaub (rotes Muster, untere rechte Ecke) über Bern.

Abbildung 3: Rückgestreute Signalintensität, gemessen vom Ceilometer in Bern über zwei Tage (5. und 6. Februar 2021). Das Saharastaub-Ereignis fand am Nachmittag des 6. Februar 2021 statt, als sich unterhalb von 2000 m Höhe viele Aerosole in der Atmosphäre befanden.

Abbildung 4: Links: Saharastaub-Ereignis vom 6. Februar 2021 in den Freiburger Voralpen. Rechts: Skifahren im Saharastaub am 6. Februar 2021, Videoquelle von SRF Meteo auf Twitter.

Kommt der Staub wirklich aus der Sahara?

Mittels einer Back-Trajectory-Analyse kann man den Ursprung der Luftpakete erforschen, die wir am 6. Februar 2021, 13:00 UT in verschiedenen Höhen über Bern beobachtet haben. Für die Berechnung der Rücktrajektorie müssen wir das globale Windfeld in der ersten Februarwoche 2021 kennen. Wir beginnen auf dem Breiten- und Längengrad des Höhenmessers in Bern. Von hier aus wird ein Luftpaket zeitlich zurückverfolgt, indem der 3D-Windvektor an der aktuellen Position des Pakets verwendet wird. Generell ist die Annahme von Luftpaketen, die sich durch die Atmosphäre bewegen, in den meisten Fällen erfüllt. Mischungs- und Diffusionsprozesse der Luft können den gültigen Zeitbereich einer Rückflugbahn auf wenige Tage einschränken. Während Rücktrajektorien über den Ursprung von Luftmassen an einem Ort informieren, können Vorwärtstrajektorien verwendet werden, um die Auswirkungen eines Luftverschmutzungsereignisses (z. B. Unfall in einer Chemiefabrik) auf verschiedene Regionen vorherzusagen.

Flugbahnen von Luftpaketen können hier berechnet werden.

• Bitte auswählen: Compute archive trajectories.
• Quellort ist der Ort des Ceilometers bei Bern (lat=46.95°N, lon=7.44°E) und der Zeitpunkt (6. Februar 2021, 13:00 UT).
• Die archivierte meteorologische Datei sollte für die erste Februarwoche 2021 sein.
• Nach Auswahl weiterer Parameter (z. B. Rückentrajektorien für 72 Stunden in drei Höhenstufen) erhalten Sie ein Bild der Rückentrajektorien auf einer geografischen Karte.
• Meisterlösung

In Abbildung 3 sieht man, dass am 5. Februar 2021 3:00 UT fast keine Aerosole unterhalb von 2000 m sind. Bitte berechnen Sie auch für dieses "no dust event" die Rückflugbahnen.

Was können Sie über die Herkunft der Luftpakete für das Staubereignis und das Nicht-Staub-Ereignis sagen?

Nennen Sie bitte einige Auswirkungen des Transports von Saharastaub auf Natur und Zivilisation. Gibt es Auswirkungen auf Gletscher?

Abbildung 5: Echtfarbenbild des Satelliteninstruments NASA TERRA/MODIS am 6. Februar 2021.