Wie extreme Temperaturschwankungen in Wüsten Sand und Staub rühren | Wissenschaft

Das White Sands Dune Field ist verlassen und isoliert, weit entfernt von jeglichen menschlichen Aktivitäten. Diese Eigenschaften machten die Wüste von New Mexico zu einem idealen Ort für das US-Militär, um 1945 die erste Atombombe der Welt zu testen. Es dient noch heute als aktive Raketenreichweite . Die 275 Quadratmeilen große Fläche aus weißem Gips ist auch ein idealer Ort für den Geomorphologen Andrew Gunn, um ein beispielloses Feldexperiment durchzuführen.

Gunn und seine Kollegen waren in der Lage, in Ruhe zu arbeiten und ohne Bedenken, seine teure Ausrüstung an Diebe zu verlieren, versuchten, die Geheimnisse der Sandbewegung aufzudecken. Insbesondere untersuchten sie, ob tägliche Temperatur- und Windänderungen in der Erdatmosphäre zu vorhersehbaren Bewegungen von Sand und Staub führen. Die Bestimmung von Ursache und Wirkung in diesem Wüstengebiet wäre ein wichtiger Schritt, um vorherzusagen, wie Partikel an der Oberfläche des Planeten das Wetter beeinflussen.

“Das Dünenfeld ist sehr seltsam, irgendwie unwirtlich”, sagt Gunn. “Es fühlt sich fremd an.”

Die Geomorphologie, die Gunn an der University of Pennsylvania studiert, untersucht, wie Eis, Wasser und Luft die Landschaften der Erde formen und verändern. In White Sands, wo sich die Temperaturen von -19 Grad Fahrenheit in der Nacht auf 95 Grad am Tag ändern können, entdeckte Gunn, dass die extremen Temperaturschwankungen der Umgebung starke Winde erzeugen, die Dünen bewegen und Staub in die Atmosphäre pumpen. Der Befund, veröffentlicht in Geophysikalische Forschungsbriefe Anfang dieses Jahres sollen Wissenschaftler verstehen, wie man Klimamodelle hier auf der Erde erstellt und wie atmosphärische Prozesse die Marsoberfläche geformt haben könnten.

Wüsten bedecken ungefähr ein Drittel der Erdoberfläche und sind ein kritischer Bestandteil des Klimasystems. Wenn Sand zu Staub wird, heben ihn Winde oder Stürme in die Atmosphäre, wo er sich einem globalen Sedimentzirkulationssystem anschließt, das das Phytoplankton im Ozean mit Nährstoffen versorgt, das Pflanzenleben im Amazonas speist und sogar die Wolkenbildung beeinflusst. In mehreren Studien wurde untersucht, wie große Wetterereignisse wie Gewitter und Haboobs Staub in das System befördern. Untersuchungen darüber, wie normale tägliche atmosphärische Veränderungen die Bewegung von Sedimenten beeinflussen, sind jedoch seltener.

Gunn und sein Team machten sich in den Frühlingsjahren 2017 und 2018 – der windigen Jahreszeit – auf den Weg nach White Sands, bewaffnet mit einer Hypothese und einer Sammlung von Dingen, um sie zu testen. Die Wissenschaftler dachten, wenn die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre wärmer als die Luft darüber würden, würde dies Winde erzeugen, die den Sand bewegen würden. Die Forscher verwendeten eine Doppler-Lidar-Maschine, um Laser in die Luft zu streuen und Winde etwa 1000 Fuß über der Oberfläche zu messen. Sie verwendeten einen solarbetriebenen Turm mit Sensoren, den so genannten meteorologischen Mast, um Wärme und Feuchtigkeit aufzuzeichnen. Ein Sandsalzsensor erkannte, wenn sich auch nur ein einziges Sandkorn bewegte. Und zurück im Labor analysierten sie Satellitenbilder mithilfe eines Algorithmus für maschinelles Lernen, um den in die Atmosphäre eintretenden Staub zu messen.

Sie fanden heraus, dass am Morgen Sonnenlicht den Boden erwärmt, wodurch die untere Atmosphäre so weit erwärmt wird, dass sie instabil wird und zu konvektieren beginnt – mit heißer, weniger dichter Luft, die aufsteigt und kühler ist, und dichterer Luft, die sinkt. Diese Konvektion rührt die Atmosphäre auf und zieht schließlich einen Strom sich schnell bewegender höherer Winde auf den Boden.

“Die Idee ist im Grunde, dass Dünenfelder ihren eigenen Wind erzeugen”, sagt Gunn.

Gegen Mittag, als die Oberflächentemperaturen ihren Höhepunkt erreichten, stellte das Team fest, dass die Windgeschwindigkeiten ihre höchsten Geschwindigkeiten erreichten, während die Feuchtigkeit im Sand verdunstet war. Sandkörner hüpften über die Oberfläche und Staub stieg in die Atmosphäre auf. Nach Sonnenuntergang sank die Temperatur von Luft und Sand schnell. Die Windgeschwindigkeiten an der Oberfläche ließen nach und die Sandkörner setzten sich ab. Jeden Tag wiederholte sich der Vorgang, wobei sich die Wüste ein wenig bewegte und mehr Staub in die Atmosphäre pumpte.

„Der Transport von Sand, die Bewegung der Dünen, die Emission von Staub aus der Landschaft – das ist alles eng mit diesem täglichen Zyklus verbunden“, sagt Gunn.

Nach der Studie in White Sands untersuchten Gunn und Kollegen meteorologische Beobachtungen, die über ein Jahrzehnt von 45 Dünenfeldern auf der ganzen Welt gemacht wurden, um festzustellen, ob sie Beweise für denselben Prozess finden konnten. Die Ergebnisse spiegelten die Ergebnisse von White Sands wider. Je höher die Temperaturänderung ist, desto schneller werden die Winde an der Oberfläche der Wüste erzeugt.

Unerwartet stellten sie fest, dass die Größe der Wüste die Stärke des Windes beeinflusste. Je größer das Dünenfeld ist, desto stärker ist die Verbindung zwischen Temperaturverschiebungen und Windgeschwindigkeiten sowie dem Sandtransport entlang des Bodens und in die Atmosphäre.

Die Entdeckung dieses täglichen Wärmezyklus und der Transport von Sand und Staub könnten die Klimamodellierung verbessern, sagt Doug Jerolmack, experimenteller Geophysiker an der University of Pennsylvania und Autor der Studie. Diese Modelle, die Staubemissionsdaten verwenden, um die Wolkenbildung vorherzusagen, sind für Klimaphysiker und Meteorologen hilfreich, um genaue Klimavorhersagen zu treffen. Wolken spielen eine wichtige und komplexe Rolle bei der Regulierung der Temperatur des Erdklimas, sind jedoch schwer zu modellieren. Bessere Daten zu Staub könnten Forschern helfen, besser zu verstehen, wie sich Wolken bilden, wachsen und miteinander interagieren.

“Es gibt eine Vielzahl von Dingen, bei denen Wasser zu Wolken kondensiert, aber die beiden wichtigsten sind Staub und Meersalz”, sagt Jerolmack. “Diese konvektive Instabilität in der Wüste ist jetzt wie eine vertikale Pumpe, die den Staub aufnimmt und in die obere Atmosphäre befördert, wo er Wolken säen kann.”

Lori Fenton, eine Planetenforscherin am SETI-Institut, die nicht an der Studie beteiligt ist, sagt, dass der gleiche Prozess, der bei White Sands beobachtet wurde, wahrscheinlich auf dem Mars stattfinden wird, möglicherweise mit noch stärkeren Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen. „Auf dem Mars ist der Dünensand dunkler als das umgebende Gelände, was die konvektive Instabilität, die Windböen bildet, weiter verbessern würde“, sagt sie.

Bis vor relativ kurzer Zeit dachten Wissenschaftler, Sanddünen auf dem Mars seien stationäre Relikte aus früheren Zeiten. Wellen und Dünen, die sich auf dem roten Planeten bewegen, deuten jedoch darauf hin, dass bestimmte Gebiete wie das Nili-Patera-Dünenfeld, Styrtis Major und Mawrth Vallis vom aktuellen Klima bewegt werden.

Marsstaubstürme, die lokal beginnen und sich manchmal zusammenschließen, um den gesamten Planeten zu umhüllen, könnten teilweise auch durch Gunns Erkenntnisse erklärt werden, da die in White Sands entdeckte atmosphärische Mechanik den anfänglichen Staub auslösen könnte, der lokale Stürme erzeugt. “Die Bildung großer Staubstürme im Planetenmaßstab ist ein ungelöstes Rätsel in der Marswissenschaft”, sagt Fenton.

Es wird erwartet, dass die Beharrlichkeit der NASA, die sich jetzt entlang der Marsoberfläche bewegt, Sanddünen und große Wellen entlang ihrer Durchquerung des Jezero-Kraters bis zum Rand eines alten Flussdeltas überquert. Die integrierten Sensoren erfassen meteorologische Daten zu Oberflächentemperatur, Windprofilen und Staubpartikeln – ähnlich wie bei Gunns Experiment in White Sands. Dies hilft zu bestätigen, ob intensive Erwärmung höhere Windgeschwindigkeiten auf dem Roten Planeten antreibt.

Auch aus praktischen Gründen ist es wichtig, genaue Vorhersagen über die Staubbewegung auf dem Mars zu erhalten. Als der Curiosity Rover der NASA 2018 in einen Staubsturm geriet, konnte er seine Batterie nicht mehr aufladen. „Da wir planen, mehr Ausrüstung und schließlich Menschen zum Mars zu schicken, möchten Sie ein gutes Verständnis des Windregimes haben“, sagt Jean-Philippe Avouac, Geologe und Planetenwissenschaftler bei CalTech. “Wenn viel Sand vom Wind geblasen wird, wird die gesamte Ausrüstung beschädigt, und das wäre ein großes Problem.”

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