Mineral dust mobilisation, transport, and deposition in different climate epochs

Mineral dust is an important component of the Earth\u27s climate system and provides essential nutrientsrnto oceans and rain forests. During atmospheric transport, dust particles directly and indirectly influencernweather and climate. The strength of dust sources and characteristics of the transport, in turn, mightrnbe subject to climatic changes. Earth system models help for a better understanding of these complexrnmechanisms.rnrnThis thesis applies the global climate model ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) for simulationsrnof the mineral dust cycle under different climatic conditions. The prerequisite for suitable modelrnresults is the determination of the model setup reproducing the most realistic dust cycle in the recentrnclimate. Simulations with this setup are used to gain new insights into properties of the transatlanticrndust transport from Africa to the Americas and adaptations of the model\u27s climate forcing factors allowrnfor investigations of the impact of climatic changes on the dust cycle.rnrnIn the first part, the most appropriate model setup is determined through a number of sensitivity experiments.rnIt uses the dust emission parametrisation from Tegen et al. 2002 and a spectral resolutionrnof T85, corresponding to a horizontal grid spacing of about 155 km. Coarser resolutions are not able tornaccurately reproduce emissions from important source regions such as the Bodele Depression in Chad orrnthe Taklamakan Desert in Central Asia. Furthermore, the representation of ageing and wet deposition ofrndust particles in the model requires a basic sulphur chemical mechanism. This setup is recommended forrnfuture simulations with EMAC focusing on mineral dust.rnrnOne major branch of the global dust cycle is the long-range transport from the world\u27s largest dustrnsource, the Sahara, across the Atlantic Ocean. Seasonal variations of the main transport pathways to thernAmazon Basin in boreal winter and to the Caribbean during summer are well known and understood,rnand corroborated in this thesis. Both Eulerian and Lagrangian methods give estimates on the typicalrntransport times from the source regions to the deposition on the order of nine to ten days. Previously, arnhuge proportion of the dust transported across the Atlantic Ocean has been attributed to emissions fromrnthe Bodele Depression. However, the contribution of this hot spot to the total transport is very low inrnthe present results, although the overall emissions from this region are comparable. Both model resultsrnand data sets analysed earlier, such as satellite products, involve uncertainties and this controversy aboutrndust transport from the Bodele Depression calls for future investigations and clarification.rnrnAforementioned characteristics of the transatlantic dust transport just slightly change in simulationsrnrepresenting climatic conditions of the Little Ice Age in the middle of the last millennium with meanrnnear-surface cooling of 0.5 to 1 K. However, intensification of the West African summer monsoon duringrnthe Little Ice Age is associated with higher dust emissions from North African source regions and wetterrnconditions in the Sahel. Furthermore, the Indian Monsoon and dust emissions from the Arabian Peninsula,rnwhich are affected by this circulation, are intensified during the Little Ice Age, whereas the annual globalrndust budget is similar in both climate epochs. Simulated dust emission fluxes are particularly influencedrnby the surface parameters. Modifications of the model do not affect those in this thesis, to be able tornascribe all differences in the results to changed forcing factors, such as greenhouse gas concentrations.rnDue to meagre comparison data sets, the verification of results presented here is problematic. Deeperrnknowledge about the dust cycle during the Little Ice Age can be obtained by future simulations, based onrnthis work, and additionally using improved reconstructions of surface parameters. Better evaluation ofrnsuch simulations would be possible by refining the temporal resolution of reconstructed dust depositionrnfluxes from existing ice and marine sediment cores.Mineralstaub stellt eine bedeutende Nährstoffquelle für die Ökosysteme der Ozeane und Regenwälderrndar. Weiterhin nimmt er während des atmosphärischen Transports direkt und indirekt Einfluss auf Wetterrnund Klima. Die Intensität von Staubemissionen und Eigenschaften des Transports können ihrerseitsrnunter verschiedenen klimatischen Bedingungen variieren. Zu einem besseren Verständnis dieser komplexenrnMechanismen können Erdsystem-Modelle beitragen.rnrnIn dieser Arbeit wird der Mineralstaubzyklus anhand von Simulationen mit dem globalen KlimamodellrnECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) in verschiedenen Klimaepochen untersucht. Umrnsinnvolle Ergebnisse zu erhalten muss zunächst das Modellsetup bestimmt werden, welches den Staubzyklusrnim heutigen Klima am besten reproduziert. Simulationen mit diesem Setup sollen neue Erkenntnissernüber die Charakteristiken des transatlantischen Transport von Staub aus Nordafrika nach Süd- und Mittelamerikarnliefern. Des Weiteren wird durch Anpassen der klimatischen Randbedingungen des Modellsrnuntersucht, inwiefern der Mineralstaubzyklus von Veränderungen des Klimas abhängt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit wird mit Hilfe diverser Sensitivitätsstudien das optimale Modellsetup festgelegt.rnEs verwendet die Staubemissions-Parametrisierung von Tegen et al. 2002 und die spektrale AuflösungrnT85, was einem horizontalen Gitterpunktabstand von etwa 155 km entspricht. Emissionen von bedeutendenrnStaubquellen wie der Bodele-Senke in Tschad oder der Taklamakan-Wüste in Zentralasien könnenrnmit gröberen Auflösungen nicht richtig wiedergegeben werden. Darüber hinaus ist ein Chemiemechanismusrnnötig, der den Schwefelkreislauf realistisch simuliert, um chemisches Prozessieren und somit dasrnAuswaschen von Staubpartikeln aus der Atmosphäre richtig abzubilden. Für künftige Simulationen desrnStaubzyklus mit EMAC wird dieses Modellsetup empfohlen.rnrnDer Staubtransport aus der größten Emissionsregion der Welt, der Sahara, über den Atlantik stellt einenrnHauptbestandteil des globalen Staubkreislaufs dar. Die bekannte saisonale Variation des Transports nachrnSüdamerika im Winter und in die Karibik im Sommer kann in dieser Arbeit bestätigt werden. Für diernDauer des Transports von den Emissionsregionen bis zur Deposition werden anhand von Eulerschen undrnLagrangeschen Methoden typische Zeitskalen von neun bis zehn Tagen bestimmt. Für Staub, der über denrnAtlantik transportiert wird, wurde in früheren Studien die Bodele-Senke als eines der größten Herkunftsgebieternangesehen. Obwohl die absoluten Emissionen in dieser Region vergleichbar sind, ist der Beitragrnvon Staub aus der Bodele-Senke am transatlantischen Transport in den vorliegenden Ergebnissen gering.rnDieser Widerspruch kann hier nicht aufgeklärt werden und bedarf weiterer Untersuchungen, da sowohlrndie Modellresultate als auch die Grundlage bisheriger Analysen, wie Satellitendaten, mit Unsicherheitenrnbehaftet sind.rnrnDie genannten Eigenschaften des transatlantischen Transports ändern sich nur geringfügig in Simulationen,rnwelche die Verhältnisse während der Kleinen Eiszeit in der Mitte des vergangenen Jahrtausends, mitrneiner durchschnittlichen bodennahen Abkühlung von 0,5 bis 1 K, wiedergeben. Allerdings bewirkt diernIntensivierung des Westafrikanischen Monsuns während der Kleinen Eiszeit im Sommer höhere Staubemissionenrnin Nordafrika, sowie feuchtere Bedingungen in der Sahelzone. Auch der Indische Monsun undrndie von dieser Zirkulation beeinflussten Staubemissionen auf der Arabischen Halbinsel sind während derrnKleinen Eiszeit verstärkt. Das Jahresmittel des globalen Staubbudgets hingegen zeigt nur schwache klimatischernAbhängigkeit. Änderungen des Mineralstaubzyklus sollen in dieser Arbeit auf klimatische Einflussfaktorenrnwie Treibhausgaskonzentrationen zurückgeführt werden können, weshalb die Bodenparameterrndes Modells, von denen die Staubemission ebenfalls abhängt, nicht variiert werden. Die Verifikation derrnvorliegenden Resultate ist aufgrund einer geringen Anzahl an Vergleichsdatensätzen problematisch. KünftigernSimulationen, die auf den Ergebnissen dieser Arbeit aufbauen und auch verbesserte Rekonstruktionenrnder Bodenparameter berücksichtigen, können das Wissen über den Staubzyklus in vergangenen Klimaepochenrnweiter vertiefen. Höhere zeitliche Auflösungen von Zeitreihen der Staubdeposition aus existierendenrnEis- und Sedimentbohrkernen würden eine präzisere Evaluation solcher Modellstudien ermöglichen