Einfach erklärt
Jedes Jahr weht Staub aus Nordafrika über den Atlantik bis nach Südamerika. Er bringt Phosphor mit, einen Stoff, den Pflanzen brauchen. Wie viel davon im Amazonasgebiet landet, ist aber noch unklar: Neuere Messungen sprechen für deutlich weniger Staub als eine frühere Auswertung von Satellitendaten. Um das genauer herauszufinden, braucht es mehr Messungen mitten im Regenwald.
Jedes Jahr tragen Winde aus Nordafrika Wolken winziger Mineralteilchen auf eine lange Reise über den Atlantik. Ein Teil des Staubs gelangt bis nach Südamerika und setzt sich in manchen Gebieten des Amazonasbeckens ab. Mit ihm kommt Phosphor. Verglichen mit der riesigen Fläche des Regenwalds mag die Staubmenge gering erscheinen. Doch der Nährstoff ist wichtig für Böden, denen viele andere Nährstoffe fehlen. So verbindet die Reise durch die Luft auf bemerkenswerte Weise Wüsten und tropische Regenwälder.
Wie lässt sich Staub messen, den man nicht vollständig einsammeln kann?
Es gibt keine praktikable Möglichkeit, jedes Staubkorn aufzufangen, das im Amazonasbecken niedergeht. Forschende kombinieren deshalb Satellitenbeobachtungen, Messstationen für die Luft und Computermodelle. Die Methoden beleuchten unterschiedliche Teile des Geschehens: Satelliten erfassen Staubschichten auf ihrem Weg, Filter am Boden zeigen, was an bestimmten Orten tatsächlich ankommt, und Modelle nutzen diese Daten, um die Ablagerung in größeren Gebieten abzuschätzen.
In einer von Hongbin Yu und seinen Kolleginnen und Kollegen geleiteten Studie wertete das Team Daten des Lidar-Instruments an Bord des Satelliten CALIPSO aus den Jahren 2007–2013 aus. Das Gerät sendet Lichtimpulse in die Atmosphäre und analysiert das zurückgestreute Licht. So lassen sich Staubschichten und ihre Höhe erkennen. Zusammen mit Winddaten nutzte das Team die Satellitenbeobachtungen, um abzuschätzen, wie viel Staub in das Gebiet hineingelangte und wie viel es wieder verließ. Die Differenz galt als abgelagerte Menge.
Demnach zogen pro Jahr etwa 182 Millionen Tonnen Staub über die Westküste Afrikas hinweg. Der Staub, der sich über dem Amazonas absetzte, brachte schätzungsweise rund 22.000 Tonnen Phosphor mit. Für die jährliche Staubablagerung im Becken errechnete das Team jedoch einen Mittelwert von 27,7 Millionen Tonnen – bei einer großen Unsicherheitsspanne von 8 bis 48 Millionen Tonnen. Die hohe Zahl war also keine präzise direkte Messung, sondern ein mittlerer Schätzwert, dessen mögliche Werte auch deutlich darunter liegen konnten.
Die Ergebnisse von Yu und seinem Team erschienen 2015 in Geophysical Research Letters. Eine weitere Studie der Gruppe, veröffentlicht in Remote Sensing of Environment, untersuchte anhand der siebenjährigen CALIPSO-Messreihe den Staubtransport über den Atlantik. Die erfassten Mengen schwankten von Jahr zu Jahr. Der Beobachtungszeitraum war deshalb zu kurz, um einen langfristigen Trend abzuleiten – etwa, ob die Ablagerung über mehrere Jahrzehnte hinweg zu- oder abgenommen hat.
Filtermessungen in Cayenne verändern das Bild
Eine andere Art der Überprüfung lieferten Messungen aus Cayenne, der Hauptstadt von Französisch-Guayana an der Nordostküste Südamerikas. Dort erfasste die örtliche Luftqualitätsbehörde ATMO Guyane zwischen 2002 und 2017 Schwebeteilchen in der Luft. Ab 2014 wurden an einem erhöht gelegenen, bewaldeten Standort Filter eingesetzt, die feine Teilchen aus der Luft sammelten. Auf einem Filter konnten sich sowohl Meersalz aus dem Atlantik als auch Mineralstaub aus Afrika ablagern. Bevor sich die Menge des Wüstenstaubs bestimmen ließ, mussten die verschiedenen Bestandteile daher voneinander getrennt werden.
Joseph Prospero und seine Kolleginnen und Kollegen von der University of Miami wuschen zunächst die Salze von den gebrauchten Filtern. Anschließend erhitzten sie das zurückgebliebene Material, um den Mineralstaub abzutrennen. Die Proben ermöglichten es, Modellschätzungen mit Messungen der tatsächlich vorhandenen Teilchen zu vergleichen. Das Team verwendete das NASA-Modell MERRA-2. Dessen Darstellung der jahreszeitlichen Schwankungen stimmte weitgehend mit dem Muster überein, das in Cayenne beobachtet worden war.
Anschließend nutzten die Forschenden das Modell, um die Ablagerung über ein großes Gebiet des Amazonasbeckens abzuschätzen. Rechnet man den südlichsten Rand des untersuchten Gebiets mit ein, ergibt sich eine Menge von 10,4 Millionen Tonnen pro Jahr. Das Team war sich allerdings weniger sicher, ob alle Teilchen in diesem Bereich aus Afrika stammten. Ohne diesen Randbereich sank die Schätzung auf 8 Millionen Tonnen. Das Ergebnis wird deshalb meist als Spanne von 8 bis 10 Millionen Tonnen angegeben und nicht als eindeutig feststehender Einzelwert.
Die Studie von Prospero und seinem Team erschien 2020 in Global Biogeochemical Cycles. Ihre Schätzung lag deutlich unter dem mittleren Wert aus den Satellitendaten, aber innerhalb der Unsicherheitsspanne der Studie von 2015. Dieser Unterschied bedeutet nicht zwangsläufig, dass sich die Staubmenge im Lauf der Zeit verändert hat. Die Studien bezogen sich auf unterschiedliche Jahre und Gebiete und verwendeten nicht genau dieselbe Definition dafür, welcher Staubtransport dem Amazonasbecken zugerechnet wird.
Warum Licht die Staubmenge überschätzen kann
Jasper Kok und seine Kolleginnen und Kollegen schlugen 2021 eine weitere Erklärung für die Abweichung zwischen manchen Schätzungen vor. Größere Teilchen sinken auf dem Weg über den Atlantik eher zu Boden. Feinere Teilchen bleiben länger in der Luft und gelangen weiter. Pro Tonne können die kleinen Partikel mehr Licht abschirmen, als in manchen Berechnungen anhand von Satellitendaten angenommen wurde. Das Lichtsignal kann deshalb eine größere Staubmasse vortäuschen, als tatsächlich vorhanden ist.
Das Team um Kok schätzte, dass sich in den Jahren 2004–2008 jährlich etwa 8,5 Millionen Tonnen Staub über dem Regenwald ablagerten. Dabei ging es jedoch um Staub aus allen Quellen und nicht allein um den aus Afrika. Die Studie erschien in Atmospheric Chemistry and Physics. Der Wert lässt sich deshalb nicht ohne Weiteres direkt mit jeder anderen Schätzung vergleichen: Das untersuchte Gebiet, die Herkunft der Teilchen und der erfasste Zeitraum unterscheiden sich.
Eine 2023 veröffentlichte Studie von Shurong Wang und seinem Team ging noch einen Schritt weiter ins Landesinnere. Die Forschenden überprüften ihr Modell anhand von Luftmessungen in Cayenne und am Tall Tower Observatory im Amazonasgebiet nahe Manaus in Brasilien. Für den Zeitraum 2013–2017 schätzten sie die jährliche Ablagerung von afrikanischem Staub auf rund 10 Millionen Tonnen, mit einer Unsicherheit von plus oder minus 1,7 Millionen Tonnen. Diese Menge brachte ihren Berechnungen zufolge jedes Jahr etwa 8.500 Tonnen Phosphor mit. Die Ergebnisse erschienen in Atmospheric Chemistry and Physics.
Jahreszeit und Herkunft bestimmen den Weg der Teilchen
Der Staub erreicht Südamerika nicht das ganze Jahr über gleichmäßig. Im Modell von Prospero entfielen 89 % der Staubablagerung in der Nähe von Cayenne auf den Zeitraum von Februar bis Mai. In diesen Monaten hilft Regen dabei, Teilchen aus der Luft zu entfernen und auf den Boden zu bringen. Im Sommer der Nordhalbkugel verlagert sich die Zone tropischer Regenfälle weiter nach Norden. Einige Staubwolken ziehen dann auf Routen, die näher an der Karibik und dem Süden der USA vorbeiführen.
Den Modellergebnissen zufolge sind die Ablagerungsmengen im Norden und Nordosten Südamerikas am größten. In Teilen des zentralen Amazonasgebiets kommt dagegen deutlich weniger Staub an. Eine Schätzung der Gesamtmenge für das gesamte Becken verrät daher nicht, wie viel davon einen bestimmten Wald oder Boden erreicht. Entscheidend dafür, wo die Teilchen niedergehen, sind unter anderem der Ort des Regens, die Höhe der Staubwolke und die Windrichtung.
Auch Nordafrika ist keine einheitliche Staubquelle. Eine Studie aus dem Jahr 2020, die verschiedene Wüstenregionen verglich, kam zu dem Schluss, dass Staub aus der Region El Aouakib in Mauretanien und Mali leichter bis zum Amazonas gelangt als Staub aus der Bodélé-Senke im Tschad. Auch der geografische Ursprung des Staubs änderte sich zwischen den untersuchten Wintern. Eine chemische Analyse von in Cayenne gesammelten Teilchen führte den größten Anteil im Winter 2014 auf den Westen Nordafrikas zurück. Im Winter 2016 deuteten die Ergebnisse dagegen auf Gebiete im Zentrum Nordafrikas hin. Die Studie zu den Veränderungen von Jahr zu Jahr erschien 2022 in Geophysical Research Letters.
Phosphor: eine kleine Fracht mit möglicher großer Wirkung
Der Staub transportiert nicht nur Mineralien, sondern auch Phosphor – ein Element, das Pflanzen benötigen. Er gelangt in Böden, die oft nur wenig davon enthalten. Im Wald wird ein Teil des Phosphors aus verrottendem Laub wieder in den Boden freigesetzt und kann von den Wurzeln erneut aufgenommen werden. Ein weiterer Teil wird jedoch vom Regen in Bäche und Flüsse gespült und verlässt so das Ökosystem. Nach der Schätzung von Yu und seinem Team entspricht die Menge an Phosphor, die der afrikanische Staub mitbringt, ungefähr der Menge, die auf diesem Weg aus dem Amazonasbecken verloren geht.
Das bedeutet allerdings nicht, dass der Staub allein den Phosphorhaushalt des Regenwalds erklärt oder dass der gesamte mitgebrachte Phosphor die Baumwurzeln erreicht. Auch andere Quellen tragen zur Versorgung bei. Eine Studie von Aaron Barkley und seinen Kolleginnen und Kollegen zeigte, dass Vegetationsbrände im südlichen Afrika ebenfalls Phosphor bis nach Cayenne transportieren. Ein Teil davon liegt in einer Form vor, die sich leicht in Wasser löst. Die Ergebnisse wurden 2019 in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Ein Feldversuch in einem alten, unberührten Wald nördlich von Manaus liefert Hinweise darauf, dass zusätzlicher Phosphor das Pflanzenwachstum auf diesen Böden beeinflussen kann. Die Forschenden gaben Phosphor auf Versuchsflächen. Nach zwei Jahren war die Produktion feiner Wurzeln auf den behandelten Flächen um 29 % höher als auf den Flächen ohne Zugabe. Der Versuch prüfte jedoch die Wirkung einer Phosphorgabe. Er zeigte weder, wie viel Wüstenstaub diesen Ort erreicht hatte, noch wie viel davon die Bäume aufgenommen hatten.
Prospero und seine Kolleginnen und Kollegen sprachen sich deshalb dafür aus, die Messungen direkt im Regenwald auszuweiten und sowohl Teilchen in der Luft als auch im Regenwasser zu erfassen. Messungen an der Küste sind zwar hilfreich, können aber allein nicht klären, was weit im Landesinneren geschieht. Direkte Beobachtungen im Herzen des Amazonasbeckens könnten helfen, afrikanischen Staub von anderen Phosphorquellen zu unterscheiden. Außerdem ließe sich so genauer bestimmen, wie sich die Ablagerung je nach Gebiet und Jahreszeit verändert.
Fazit
Satelliten- und Bodenmessungen belegen gemeinsam, dass Staub aus Nordafrika den Atlantik überquert und in Teilen Südamerikas Phosphor ablagert. Wie groß diese Zufuhr ist, hängt jedoch davon ab, wie gemessen wird und welche Gebiete in die Untersuchung eingehen. Die CALIPSO-Schätzung von 2015 ergab einen mittleren Wert von 27,7 Millionen Tonnen pro Jahr, bei einer breiten Spanne von 8 bis 48 Millionen Tonnen. Modelle, die anhand von Messungen in Cayenne überprüft wurden, kamen für afrikanischen Staub auf 8–10 Millionen Tonnen. Die Studie von Wang aus dem Jahr 2023 stützt einen ähnlichen Wert: Für 2013–2017 schätzte sie die Menge auf 10 ± 1,7 Millionen Tonnen. Jahreszeit, Staubquelle und Regen bestimmen, wo die Teilchen niedergehen. Ein langfristiger Rückgang lässt sich aus dem Vergleich verschiedener Studien und Jahre nicht ableiten. Um zu klären, wie viel von diesem Dünger aus der Luft tatsächlich im Inneren des Amazonasgebiets ankommt, müssen Luft und Regen direkt im Regenwald gemessen werden.