Wie extreme Waldbrände ihre Rauchsäulen in die Stratosphäre treiben
Während der schweren australischen Buschfeuersaison 2019/2020 erreichten Rauchsäulen Höhen von bis zu 16 km und drangen bis in die Stratosphäre vor, wo sie über Monate verweilen und Atmosphärenchemie sowie Klima beeinflussen können. Diese außergewöhnlichen Auftriebshöhen, beobachtet während des intensiven pyrokonvektiven Ausbruchs zum australischen Neujahr (Australian New Year, ANY), stellten bestehende Atmosphärenmodelle vor Probleme: Sie unterschätzten solche extremen Injektionshöhen durchgängig.
In einer Reihe von Studien (Muth et al., 2025, 2026; Unser et al., 2026) haben Forschende am IMKTRO ICON-ART-Simulationen mit Satellitenbeobachtungen kombiniert, um die maßgeblichen Mechanismen dieses kräftigen Aufstiegs aufzuklären. Am Beispiel des rekordverdächtigen ANY-Ereignisses identifizieren die Arbeiten eine Hierarchie dominanter Prozesse und zeigen eine kritische Sensitivität in deren Modellabbildung auf.
1. Feuerbedingte fühlbare Wärme als primärer Antrieb: Der einflussreichste Faktor ist die direkte Freisetzung fühlbarer Wärme durch das Feuer. Auf Basis von Beobachtungen der Feuerstrahlungsleistung (Fire Radiative Power, FRP) wurde eine Parametrisierung entwickelt, die FRP in einen zusätzlichen Oberflächenwärmefluss im Modell übersetzt. Diese Energie destabilisiert die lokale Atmosphäre stark und erzeugt kräftige Auftriebsströmungen, die die Bildung pyrokonvektiver Wolken (Pyrocumulonimbus, pyroCb) auslösen und den Rauch als Fahrstuhl in große Höhen befördern.
2. Beitrag der Feuchte zur pyroCb-Entwicklung: Die bei der Verbrennung freigesetzte Feuchte liefert einen zusätzlichen Beitrag, indem sie die Freisetzung latenter Wärme in den sich entwickelnden pyrokonvektiven Wolken verstärkt und so den vertikalen Transport der Aerosolmasse unterstützt.
3. Aerosol-Strahlungs-Rückkopplung: Ist der Rauch erst einmal injiziert, verstärkt ein sekundärer Prozess den weiteren Aufstieg: die Aerosol-Strahlungs-Rückkopplung, auch als Self-Lofting bezeichnet. Sonnenlicht absorbierende Rauchpartikel erwärmen die umgebende Luft, erhöhen den Auftrieb und lassen die Fahne während des Transports weiter aufsteigen. Dieser Mechanismus ist wesentlich, um den anhaltenden Transport in großer Höhe während des ANY-Ereignisses zu erklären.
4. Der entscheidende Einfluss der Modellauflösung: Ein zentrales Ergebnis aller Studien ist die starke Abhängigkeit der simulierten Fahnenhöhe von der Modellauflösung. Bei grober horizontaler Auflösung wird die Spitzenintensität des Feuers durch das Gitter geglättet, was zu einer deutlichen Unterschätzung der Fahnenhöhe führt. Das Team führte daher eine auflösungsabhängige Skalierung des fühlbaren Wärmeflusses ein. Dieser Verstärkungsfaktor kompensiert den Verlust an Spitzenintensität auf gröberen Skalen wirksam, verbessert die Konsistenz zwischen den Simulationen und bringt die Modellergebnisse näher an die Satellitenbeobachtungen.
Diese Erkenntnisse verbessern die physikalische Darstellung extremer Waldbrandfahnen in Atmosphärenmodellen erheblich. Eine belastbare Vorhersage des Fahnenaufstiegs (plume rise) ist wesentlich, um den Ferntransport von Rauch zu simulieren und dessen Auswirkungen auf Luftqualität, Wetter und Klima zu bewerten.
Referenzen
Muth, L. J. et al. (2025): The dominant role of sensible heat release in driving pyro-convective cloud dynamics during extreme wildfires. ACP, 25, 16027–16040. https://doi.org/10.5194/acp-25-16027-2025
Muth, L. J. et al. (2026): Integrating fire-induced heat and aerosol feedback into plume rise models for extreme wildfires. ACP, 26 (12), 8505–8528. doi:10.5194/acp-26-8505-2026
Unser, T., et al. (2026). Capturing Extreme Wildfire Plume Heights: The Role of Sensible Heat Release and Model Resolution for the 2019/2020 Australian New Year Event. JGR Atmosphere.