In unserer sich erwärmenden Welt werden Waldbrände immer größer und heißer. Es ist jedoch schwierig, direkte Vergleiche zwischen modernen und historischen Bränden anzustellen. Jetzt haben Forscher herausgefunden, dass Hinweise auf die Intensität historischer Brände in Sandkörnern eingebrannt sein könnten.
„Wir haben keine wirklich gute Möglichkeit, darüber nachzudenken, wie heiß es in der Vergangenheit zu Waldbränden gekommen wäre oder was in den verschiedenen Schichten der Bodensäule passiert wäre.“
„Wir haben keine wirklich gute Möglichkeit, darüber nachzudenken, wie heiß Waldbrände in der Vergangenheit gewesen wären oder was in den verschiedenen Schichten der Bodensäule passiert wäre“, sagte Shannon Mahan, eine Geologin beim US Geological Survey, die nicht dabei war der Arbeit. Obwohl Baumringe Brände aufzeichnen können, können sie nicht die Temperaturen anzeigen, denen Böden ausgesetzt waren, und dieser Proxy funktioniert nicht für baumlose Gebiete wie Grasland. Aber Sand ist überall. „Das in einem Sedimentkorn aufzuzeichnen – das ist ziemlich neu und nützlich.“
„Wir nutzen eine bisher bekannte Technik, bekannte Eigenschaften von Quarzmineralien – Sandkörner – und nutzen sie, um die Brandexposition aufzuzeichnen“, sagte Tammy Rittenour, Geowissenschaftlerin an der Utah State University. Frühere Studien haben sich die Lumineszenz von Quarz oder seine Lichterzeugung unter bestimmten Bedingungen zunutze gemacht, um archäologische Materialien zu datieren. Da Rittenour wusste, dass die Intensität dieser Lichtproduktion damit zusammenhängt, dass Quarz zuvor Licht und Hitze ausgesetzt war, vermutete er, dass das Mineral auch Hinweise auf die Schwere von Waldbränden liefern könnte.
Um diese Vermutung zu überprüfen, sammelte die Geowissenschaftlerin April Phinney Proben von Standorten im Umkreis des Mangum-Feuers 2020 in Arizona, das in der Nähe des Grand Canyon loderte. Ihre Bodenkerne stammten von Stellen, an denen das Team anhand der Menge der durch das Feuer zerstörten Vegetation unterschiedliche Schweregrade der Bodenverbrennung maß. Die Forscher sammelten und säuberten die Quarzstücke von den oberen drei Zentimetern Sand und verwendeten eine Labortechnik namens optisch stimulierte Lumineszenz (die gleiche Technik, die auch bei der archäologischen Datierung verwendet wird), um die Quarzproben zum Leuchten zu bringen. Je stärker ein Bereich verbrannt war, desto heller leuchtete sein Quarz. Das sei „wirklich aufregend“ gewesen, sagte Phinney, der während seines Studiums an der Utah State University an der Arbeit beteiligt war. Noch nie habe jemand den Zusammenhang zwischen Feuerintensität und Quarzlumineszenz wirklich untersucht, sagte sie.
Überall kleine Feueraufzeichnungen
Die neue Technik basiert auf der Wechselwirkung von Quarz mit der Hitze eines Waldbrandes. Quarz weist in seinem sich wiederholenden Atommuster Fehler auf – gelegentlich fehlt zum Beispiel Sauerstoff. Aufgrund ihrer positiven Ladung fangen solche Punkte Elektronen ein. Im Laufe der Zeit sammeln sich in der Ansammlung von Defekten des Quarzes auf natürliche Weise Elektronen an. Aber starke Hitzeeinwirkung kann dazu führen, dass sich die Elektronen lösen. Quarz, der Feuer ausgesetzt wurde, weist mehr dieser leeren Fallen auf und leuchtet daher als Reaktion auf optisch stimulierte Lumineszenz heller.
Diese Veränderung der Quarzlumineszenz bewahrt nur die Auswirkungen des jüngsten Waldbrandes in einem Gebiet. Aber „wenn dieses Signal einmal da ist, ist es nicht ganz einfach, es zu löschen“, sagte Mahan. Obwohl Quarz überall sei, sei es nicht alles gleich, sagte sie. Variationen in Quarzproben können zu Unterschieden in ihren Lichtsignalen führen, sodass die Anwendung der Technik im Allgemeinen eine strenge Kalibrierung erfordern könnte.
-„Wir haben mehr Möglichkeiten, die Brandgeschichte der Vergangenheit zu verstehen, als uns vielleicht bewusst war.“
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Mit dieser neuen Anwendung der Lumineszenz könnten Forscher herausfinden, wie heiß frühere Brände gebrannt haben, sagte Phinney. „Wir haben mehr Möglichkeiten, die Brandgeschichte der Vergangenheit zu verstehen, als uns vielleicht bewusst war.“ Ein Verständnis darüber, wie zunehmende Trockenheit und steigende Temperaturen Waldbrände verändert haben, könnte dazu beitragen, Managementpraktiken zu beeinflussen, beispielsweise wie oft vorgeschriebene Verbrennungen durchgeführt werden sollten, sagte sie. Rittenour und Phinney präsentierten ihre Arbeit im Oktober auf dem Treffen der Geological Society of America in Pittsburgh.
Und die Methode könnte Erkenntnisse über die Auswirkungen von Bränden tiefer unter der Oberfläche liefern. „Solange Forscher keinen Zugang zu einem Bereich haben, in dem sie vor einem kontrollierten Brand Temperatursensoren anbringen können, ist es schwierig zu untersuchen, wie unterschiedliche Bodenniveaus während eines Brandes erhitzt werden“, sagte Luke McGuire, ein Geomorphologe an der University of Arizona, der nicht dabei war der Studie. Mit dieser Technik könnten Wissenschaftler jedoch untersuchen, wie sich die Erwärmung mit der Bodentiefe ändert und wie sich diese Schwankungen auf häufige Phänomene nach Bränden wie Erdrutsche und Murgänge auswirken.
Aber, sagte McGuire, es sei nicht ganz klar, wie unterschiedliche Waldbrandbedingungen wie Temperatur, Dauer und Brennstoffbelastung mit der Schwere der Bodenverbrennung zusammenhängen. Kontrollierte Experimente bei einer vorgeschriebenen Verbrennung könnten dabei helfen, einige dieser Zusammenhänge zu konkretisieren. Solche Experimente sind Teil der nächsten Schritte der Wissenschaftler. Sie planen außerdem, ihre Technik zu verfeinern, indem sie sie an anderen Orten und Ökosystemen testen.
Aufgrund der Spuren, die Feuer auf Quarz hinterlässt, können sie möglicherweise Hunderte oder sogar Tausende von Jahren zurückgehen, um Einblicke in die Hitze und die lange Zeit vergangener Brände zu erhalten.
„All das ist in einem Sandkorn aufgezeichnet“, sagte Rittenour.
—Carolyn Wilke (@CarolynMWilke), Wissenschaftsjournalist
Zitat: Wilke, C. (2023), Feuergeschichten können auf Sandkörnern geschrieben werden, Eos, 104, https://doi.org/10.1029/2023EO230446. Veröffentlicht am 21. November 2023.
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