Ein Team des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) hat durch die Auswertung von 250 Stunden Lidar-Messungen über Leipzig in den Jahren 2022 und 2023 bahnbrechende Erkenntnisse gewonnen: Die Fluoreszenz-Lidar-Technik verbessert nicht nur die Bestimmung der Partikelherkunft in der Atmosphäre, sondern kann auch bisher praktisch unsichtbare Partikelschichten sichtbar machen.
Die Forschenden entdeckten dabei mehrfach sehr dünne Rauchschichten in großen Höhen, die ihren Ursprung in Waldbränden in Kanada hatten, jedoch mit klassischen Methoden nicht detektierbar waren. Dies deutet darauf hin, dass die obere Troposphäre über Europa möglicherweise stärker verschmutzt ist als bisher angenommen, insbesondere während der sommerlichen Waldbrandsaison.
Die Beobachtungen legen zudem nahe, dass diese dünnen Rauchschichten die Bildung von Eiswolken begünstigen können. Die Fluoreszenz-Methode eröffnet daher vielversprechende Möglichkeiten für eine detailliertere Untersuchung solcher Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken.
Auch aktuell zeigen die Messungen in Leipzig wieder Rauch von Waldbränden aus Kanada. Dieser Rauch ist somit nicht nur auf Satellitenbildern erkennbar, sondern kann nun mithilfe der Fluoreszenz-Lidar-Technik genauer erforscht werden.
Unsichtbare Partikel sichtbar machen
Aerosolpartikel spielen eine wichtige Rolle im globalen Energie- und Wasserhaushalt, indem sie Sonnenstrahlung streuen und absorbieren und als Kerne für Wolkenbildung dienen. Ob ein Partikel in einer Wolke flüssig bleibt oder gefriert, beeinflusst die Klimawirkung der Wolke erheblich. Besonders das Gefrieren in hohen Eiswolken durch Rauchpartikel von Waldbränden ist ein Forschungsfeld, das weiterer Untersuchungen bedarf.
Um Aerosole und Wolken besser zu verstehen, nutzen Forschende Lidar-Geräte, die Laserlicht vom Boden oder Satelliten aussenden und das zurückgestreute Licht analysieren. Das TROPOS in Leipzig betreibt hierfür das Lidar-System MARTHA, das Laserlicht auf drei Wellenlängen aussendet und das reflektierte Licht sammelt. Anhand der Polarisation und des Streuverhaltens bei verschiedenen Wellenlängen kann auf die Art der Partikel geschlossen werden.
Allerdings ist die Unterscheidung zwischen verschiedenen Partikelarten wie Rauch, vulkanischen Sulfaten oder städtischer Verschmutzung oft schwierig, da sich deren optische Eigenschaften überschneiden. Diese Lücke kann nun durch die Fluoreszenz-Lidar-Technik geschlossen werden. Diese Methode nutzt den Effekt, dass Moleküle nach Laserbestrahlung auf längeren Wellenlängen nachleuchten. Diese Technologie, die vor über einem Jahrzehnt am Lindenberg-Observatorium des Deutschen Wetterdienstes (DWD) implementiert wurde, wird weltweit weiterentwickelt, um präzisere Erkenntnisse über Aerosole zu gewinnen.
© Benedikt Gast / TROPOS
Fluoreszenz-Lidar enthüllt unsichtbaren Waldbrandrauch über Europa
Im August 2022 wurde das MARTHA-Lidar-System in Leipzig um einen Empfangskanal erweitert, der die Fluoreszenzrückstreuung messen kann. Dieser neue Kanal nutzt einen Interferenzfilter bei 466 Nanometern, um spezifische Bereiche des Fluoreszenzspektrums von Aerosolpartikeln zu erfassen. Aufgrund der geringen Signalintensität und der Empfindlichkeit gegenüber Sonnenlicht sind diese Messungen jedoch nur nachts möglich.
Vestibulum luctus, dolor vel facilisis egestas, augue enim commodo lorem, vitae auctor nulla nulla ut tortor. Sed sapien massa, efficitur vel arcu at, convallis euismod sapien. Ut at augue vel nisi consequat porttitor. Aliquam vel vestibulum diam. Vestibulum ligula elit, volutpat in eleifend nec, viverra at nisi. Quisque auctor euismod tincidunt. Integer ornare rutrum sodales. Praesent accumsan lobortis enim, ut facilisis risus pulvinar sit amet. Suspendisse eget gravida nisl. Nullam ut risus ultrices, sodales metus sit amet, vestibulum metus. Aenean porta dolor ut ante hendrerit, eget commodo lectus lobortis. Suspendisse est dui, consectetur in laoreet ut, rutrum sit amet odio.
Zwischen August 2022 und Oktober 2023 wurden rund 50 Messungen durchgeführt, die über 250 Stunden atmosphärischer Fluoreszenzbeobachtungen lieferten. Die Forschenden konzentrierten sich dabei auf vier Fallbeispiele. Besonders auffällig waren die Beobachtungen im Frühjahr und Sommer 2023, als Rauch von den riesigen Waldbränden in Kanada durch Westwinde nach Europa transportiert wurde.
So wurde beispielsweise in der Nacht vom 4. auf den 5. Juli 2023 eine über 2 Kilometer dicke Rauchschicht über Leipzig detektiert, die eine besonders starke Fluoreszenz aufwies. Diese Beobachtungen, so Benedikt Gast vom TROPOS, zeigen nicht nur die Fähigkeit der Fluoreszenz-Lidar-Technik zur Identifizierung von Aerosoltypen, sondern auch ihre einzigartige Eignung, optisch dünne Aerosolschichten zu erkennen, die mit herkömmlichen Methoden unentdeckt blieben.
Unsichtbare Aerosolschichten und ihr Einfluss auf Wolkenbildung
Ein Team des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) hat mithilfe einer erweiterten Lidar-Technik beeindruckende neue Erkenntnisse gewonnen. Am 21. September 2022 schien die obere Troposphäre mit herkömmlichen Methoden sauber zu sein, doch eine erhöhte Fluoreszenz-Rückstreuung enthüllte mehrere zuvor unsichtbare Aerosolschichten in Höhen von 5, 7, 9 und 10 Kilometern. Diese dünnen, hohen Schichten, die ohne die Fluoreszenzmessungen unentdeckt geblieben wären, zeigen, dass die neue Technik die Identifizierung solcher Strukturen in Vorschaubildern erheblich erleichtert, wie Dr. Cristofer Jimenez vom TROPOS betont.
Obwohl diese optisch dünnen Aerosolschichten aufgrund ihrer geringen Dichte möglicherweise keine direkte Strahlungswirkung haben, könnten die darin enthaltenen Partikel die Wolkenbildung beeinflussen, indem sie als Eiskeime fungieren. Die Messungen des Fluoreszenzrückstreukoeffizienten wiesen in beiden Fällen auf dünne Waldbrandrauchschichten in großen Höhen nahe der Tropopause hin – einem Bereich, der oft für die Bildung von Zirruswolken geeignet ist. Die Rolle von Rauchpartikeln als Eiskeime wird noch diskutiert, da sie bei Temperaturen über -30 °C im Vergleich zu Mineralstaub als eher ineffizient gelten. Die neuen Beobachtungen legen jedoch nahe, dass eine mögliche Wirkung von Rauchpartikeln auf die Zirruswolkenbildung weiter erforscht werden sollte.
Besonders hervorzuheben sind Beobachtungen, die Zirruswolken direkt unterhalb von Rauchschichten zeigten, wie bei einer Messung in der Nacht vom 29. auf den 30. Mai 2023. Die Forschenden betonen, dass dies die erste Untersuchung der Wirkung optisch dünner Rauchschichten auf Zirruswolken mittels Fluoreszenz ist. Da reines Wasser und kleine Eiskristalle in Zirruswolken nicht fluoreszieren, ermöglicht die Fluoreszenz-Technik die Detektion von Aerosolpartikeln sogar innerhalb der Wolke. Der Höhenverlauf der Fluoreszenzrückstreuung, eine geringe Anzahl an Eiskristallen und die Anordnung der Rauch- und Wolkenschichten sowie ihr zeitlicher Verlauf deuten stark darauf hin, dass die Rauchpartikel die Wolkenbildung ausgelöst haben könnten, indem sie als Eiskeime fungierten.
Zusammenfassung und Ausblick:
Messungen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig in den Jahren 2022 und 2023 haben gezeigt, dass optisch dünne Rauchschichten in großen Höhen, die für herkömmliche Lidar-Systeme unsichtbar bleiben, häufiger auftreten als bisher angenommen. Dies legt nahe, dass die Atmosphäre über Europa, besonders während der sommerlichen Waldbrandsaison, stärker verschmutzt sein könnte als bisher gedacht.
Obwohl diese dünnen Schichten den direkten Einfall von Sonnenlicht kaum beeinflussen, könnten die darin enthaltenen Rauchpartikel in diesen Höhen eine zusätzliche Quelle für Wolkenbildung in einer sonst relativ sauberen Atmosphäre darstellen. Dies könnte wiederum Auswirkungen auf das Sonnenlicht und somit auf das Klima am Boden haben. Die Untersuchung solcher Aerosolschichten mittels Fluoreszenz-Lidaren könnte hier mehr Klarheit schaffen.
Mehrere Beobachtungen von Zirruswolken direkt unter Rauchschichten deuten darauf hin, dass dieser Rauch in solchen Fällen die primäre Quelle von Eiskeimen sein könnte und somit das heterogene Gefrieren der dominierende Prozess ist. Um diesen möglichen Einfluss von Aerosolen auf Wolken genauer zu erforschen, wäre ein größerer Datensatz wünschenswert, um diese Hypothese zu stärken und detailliertere Einblicke zu gewinnen.
Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V. (06/2025)
Publikation:
Gast, B., Jimenez, C., Ansmann, A., Haarig, M., Engelmann, R., Fritzsch, F., Floutsi, A. A., Griesche, H., Ohneiser, K., Hofer, J., Radenz, M., Baars, H., Seifert, P., and Wandinger, U.: Invisible aerosol layers: improved lidar detection capabilities by means of laser-induced aerosol fluorescence, Atmos. Chem. Phys., 25, 3995–4011, https://doi.org/10.5194/acp-25-3995-2025 , 2025.