GeoSphere Austria’s Aktivitäten im CAMS National Collaboration Programme

Die GeoSphere Austria nutzt Daten des europäischen Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), um die Vorhersage von menschgemachten und natürlichen Luftschadstoffen zu optimieren.

Die GeoSphere Austria verbessert laufend nicht nur ihre Vorhersage des Wetters, sondern auch jene der Luftqualität. Auch wenn der Fokus auf der oberflächennahen Atmosphärenschicht und menschgemachter Luftverschmutzung liegt, berechnet die GeoSphere Austria im Anlassfall auch Vorhersagen für Asche und Schwefeldioxid vulkanischen Ursprungs für höhere Atmosphärenschichten bis in die Stratosphäre (bis ca. 20 km) hinein. Neben den umfangreichen Modellanwendungen der GeoSphere Austria fließen nun auch Produkte von Copernicus bzw. des Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) in diese speziellen Vorhersagen ein und verbessern diese.

Eine Verbesserung der Vorhersagen im Fall von Vulkaneruptionen hat auch eine wichtige Motivation: Trifft ein Flugzeug auf Asche in hoher Konzentration ist die Flugsicherheit gefährdet, da es aufgrund von geschmolzener Vulkanasche in den Triebwerken zu einem Ausfall der Turbinen kommen kann. Schwefeldioxid ist ebenso problematisch, da es in hohen Konzentrationen zu akuten Atemwegsproblemen bei Passagieren und der Crew führen kann. Selbst wenn keine unmittelbare Gefahr gegeben ist, ist als Spätfolge mit erhöhtem Wartungsbedarf und Treibstoffverbrauch der Flugzeuge zu rechnen.

Copernicus ist die Erdbeobachtungskomponente des Weltraumprogramms der Europäischen Union. Das Programm liefert große Mengen an globalen Daten, Informationen und Diensten auf Grundlage satellitengestützter Erdbeobachtung und in-situ-Messungen (Nicht-Weltraumdaten). Der Name Copernicus leitet sich von dem berühmten europäischen Wissenschaftler Nicolaus Copernicus ab, dessen Weltbild mit der Sonne als Zentrum einen wichtigen Beitrag zur modernen Wissenschaft leistete.

Copernicus wird von der Europäischen Kommission koordiniert und verwaltet und in Partnerschaft mit den Mitgliedstaaten und verschiedensten Organisationen, wie z.B. der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT) oder dem Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) umgesetzt. Die Copernicus Services sollen Dienstleistern, Behörden und anderen internationalen Organisationen helfen, die Lebensqualität der europäischen Bürger zu verbessern. Die angebotenen Informationsdienste sind für ihre Nutzer frei und offen zugänglich.

Weitere Informationen zu Copernicus sind in der Copernicus Broschüre zu finden.

Der Copernicus-Dienst zur Überwachung der Atmosphäre (CAMS) liefert kontinuierlich Daten und Informationen zur Zusammensetzung der Atmosphäre, indem Bestandteile wie Treibhausgase (z.B. CO₂ oder Methan), reaktive Gase (z.B. Ozon) und Aerosole überwacht und Vorhersagen für sie abgegeben werden.

CAMS stellt auf diese Weise konsistente und qualitätsgeprüfte Informationen bereit, die der Entwicklung von Lösungen in den Bereichen Luftverschmutzung, Gesundheit, Solarenergie, Treibhausgase und Klimawandel dienlich sind, und Umweltproblemen entgegenwirken.

CAMS wurde im Auftrag der Europäischen Union unter Verwendung von Fördermitteln der EU beim ECMWF angesiedelt.

Um eine verstärkte Nutzung und Weiterentwicklung des CAMS Portfolios zu gewährleisten, arbeitet das ECMWF in den letzten Jahren verstärkt mit nationalen Dienstleistern (wie auch der GeoSphere Austria) in Europa zusammen. Dies geschieht auf Basis des CAMS National Collaboration Programme (CAMS-NCP), bei welchem die nationalen Dienstleister vom ECMWF Förderverträge erhalten, um mit Hilfe von CAMS-Produkten ihre Mission auf nationaler Ebene noch besser erfüllen zu können. Umgekehrt sollen auch bewährte Verfahren und Praktiken der Nationalstaaten für CAMS nutzbar gemacht werden.

Konkrete Nutzung von CAMS-Produkten für Vorhersagen nach Vulkaneruptionen an der GeoSphere Austria

Wie eingangs erwähnt, werden CAMS-Produkte nun genützt, um die Vulkanvorhersagen der GeoSphere Austria zu verbessern. Das grundlegende Konzept dabei ist, im Fall einer länger andauernden Vulkaneruption den globalen, grob aufgelösten Modelloutput von CAMS, der auf via Satelliten bereits beobachtetem SO₂ basiert, mit den hochaufgelösten SO₂-Kurzfristvorhersagen (48 oder 72 Stunden) der GeoSphere Austria für die letzte und von CAMS noch nicht beobachtete Eruptionsphase (für die ein Quellterm geschätzt werden muss) zu kombinieren. Dabei ist auch die mittlere Verweildauer von SO₂ in der Atmosphäre zu berücksichtigen, die bei ca. einer Woche (in der Troposphäre bis ca. 10 km Höhe) bis hin zu mehreren Wochen (in der daran anschließenden Stratosphäre) liegt. Als wichtiges Ergebnis sollte nicht nur eine bessere Qualität der Vulkanvorhersagen erzielt werden, sondern auch eine deutlich reduzierte Rechenleistung und Rechenzeit.

Längere, über wenige Tage hinaus andauernde Vulkaneruptionen mit stärkeren und schwächeren Phasen sind auch in Europa nicht selten. Die Eyjafjallajökull Eruption 2010, die Grimsvötn Eruption 2011, die Holuhraun Eruption 2014 (alle drei auf Island) sowie die Cumbre Vieja Eruption 2021 auf den Kanarischen Inseln (Spanien) sind rezente Beispiele. Da für die Cumbre Vieja Eruption 2021 die notwendigen CAMS SO₂-Felder vorlagen, wurde dieser Vulkanausbruch herangezogen, um die Nützlichkeit des neuen Ansatzes zu untersuchen.

La Palma ist die vulkanisch aktivste Insel der Kanaren. Nach einer Ruheperiode von ca. 50 Jahren begann am 19. September 2021 nach Tagen intensiver Seismizität die Cumbra Vieja Eruption, welche drei Monate anhielt. Die Spalteneruption war durch mehrere über 100 m hohe Lavafontänen gekennzeichnet, bedeckte ein Gebiet von ca. 12 km² mit Lava und zerstörte zahlreiche Siedlungen und landwirtschaftliche Nutzflächen. Die von Asche und Schwefeldioxid gebildete Eruptionssäule reichte Ende September bzw. Anfang Oktober 2021 bis in eine Höhe von ca. 6.000 m über dem Meeresspiegel. Die SO₂-Wolke erreichte auch den Luftraum Kontinentaleuropas.

Der Vergleich der Modellsimulationen dieser Eruption mit Satellitendaten (Abbildungen 1) zeigt den Mehrwert der im Projekt entwickelten Methode. Während die beobachtete zweigeteilte Struktur der SO₂ Wolke am 18. Oktober ohne CAMS Input zur Gänze fehlt, kann diese unter Zuhilfenahme der CAMS Daten, korrekt wiedergegeben werden.

Sobald ein CAMS Vulkanascheprodukt vorliegt, könnte die Methode für Vulkanasche unmittelbar übernommen werden.