Development of a unified dust emission scheme
Final Report Abstract
Mineralstaub erhält zunehmend Aufmerksamkeit im Bereich der Geowissenschaften auf Grund seiner vielfältigen Auswirkungen auf die Umwelt und den menschlichen Alltag. Die numerische Staubmodellierung, ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung dieser Auswirkungen, benötigt Feldmessungen, um Staubemissionsparametrisierungen und deren Anwendbarkeit für eine bestimmte Bodenoberfläche zu testen. Diese Anwendbarkeit hängt von der Repräsentativität der in der Parameterisierung enthaltenen Emissionsmechanismen und damit von deren Identifizierung ab. In diesem Projekt wurden detaillierte Feldmessungen durchgeführt, um die Mechanismen der Staubemission zu entschlüsseln und die damit gewonnenen Erkenntnisse für die zukünftige Weiterentwicklung von Staubmodellen zu nutzen. Die Messungen beinhalten eine Überwachung der Bodenoberfläche und des losen Bodenmaterials sowie Messungen des transportierten Sediments und meteorologischer Parameter, und wurden für unterschiedliche Umgebungsbedigungen im Sudwesten der USA durchgeführt. Unter Berücksichtigung des atmosphärischen Antriebs wurden die verschiedenen Staubemissionsmechanismen anhand der Ähnlichkeiten und Unterschiede der Partikelgroßencharakteristika von Proben der Bodenoberfläche sowie des in der Luft transportierten Sediments untersucht. Ein neues System zur Beprobung des losen Bodenmaterials - lose Partikel, die zur Emission zur Verfügung stehen - wurde entwickelt, um dessen Charakterisierung zu ermöglichen. Das System besteht aus einem Handstaubsauger und einem modifizierten, passiven Sediment-Sampler. Die Hauptvorteile des neuen Systems sind, dass es (1) einen weiten Partikelgrößenbereicht wiedergeben und (2) die Probenahme nur minmialen Einfluss auf die Bodenoberfläche und die Sedimentprobe haben soll. Ein Vergleich der vorhandenen Partikelgrößen in den Proben der Bodenkruste, des losen Bodenmaterials und des transportierten Sediments erlaubte es mir, auf die Staubemissionsmechanismen zu schließen, durch die die Staubemission an den ausgewählten Messorten wahrscheinlich generiert wurde. Beispielweise ähnelte die Partikelgrößenverteilung an einem der Messorte im Bereich der größeren Durchmesser der des losen Bodenmaterials, wohingegen der untere Größenbereich eher der Verteilung der Bodenkruste entsprach. Dies deutet darauf hin, dass der Staub an diesem Messort durch den Abrieb der Bodenkruste durch saltierende, sandgroße Partikel emittiert wurde. Die Messungen zeigten weiterhin, dass wesentliche Mengen an Staub unter Bedingungen emittiert werden können, die (vom Standpunkt der Staubemission aus gesehen) suboptimal sind, wie z.B. heterogene und verkrustete Oberflächen. Das Studium der Emission von verkrusteten Oberflächen wurde bislang weitgehen vernachlässigt und sollte in Zukunft mehr in den Fokus der Aufmerksamkeit rucken. Die Anwendbarkeit eines aktuellen Parametrisierungsschemas auf die Modellierung der Staubemission von verkrusteten Oberflächen wurde auf Basis der in diesem Projekt gesammelten Messdaten getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass das Schema die Messungen gut reproduzieren konnte unter der Bedigung, dass dem Schema akkurate Informationen uber die Größencharakteristika der Partikel am Boden zur Verfügung gestellt werden. Die numerischen Experimente gaben zudem Anhaltspunkte darauf, dass sich die Erodierbarkeit der Kruste durch vorangegangene Erosionsereignisse andern kann. Dies ist im Einklang mit Schlussfolgerungen, die aus den Messdaten gezogen werden konnten. Die Ergebnisse meines Projektes zeigen, dass es zur Erweiterung unseres Wissens über die Staubemission nötig ist, sich nicht nur auf hochemittive Studienorte zu konzentrieren, sondern die Untersuchungen auf eine möglichst große Bandbreite an Boden- und Atmosphärenbedingungen auszuweiten.
Publications
- Disentangling dust emission mechanisms – a field study, American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, CA, USA, 2016
Klose, M., Peterson, S., Webb, N., Pelt, S. V., Gill, T. E., Okin, G., Zee, J. V., Cooper, B., and Karl, J.
- Can dust emission mechanisms be determined from field measurements?, European Geosciences Union General Assembly, Wien, Österreich, PICO presentation, 2017
Klose, M., Webb, N., Gill, T. E., Pelt, S. V., and Okin, G.
- Field sampling of loose erodible material: A new method to consider the full particle-size range, European Geosciences Union General Assembly, Wien, Österreich, 2017
Klose, M., Gill, T. E., and Webb, N.
- Field sampling of loose erodible material: A new method to sample the full particle-size spectrum, Aeolian Res., 28, 83–90
Klose, M., Gill, T. E., Webb, N. P., and Zee, J. W. V.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2017.08.003)
