Universität zu Köln

Pinto, Rovina ORCID: 0000-0003-2624-6028 (2025). Observational Climatology of Dust Activity in the Atacama Desert. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Arid and semi-arid regions are sources of mineral-dust aerosols, but very little is known about dust activity in the arid Atacama Desert. These dust aerosols have implications for human life and the climate system. By absorbing and scattering radiation, they affect the Earth’s radiation budget. The dust aerosols act as cloud condensation nuclei and ice nucleating particles for clouds and, fertilise terrestrial and marine ecosystems. In the Atacama Desert, the dust aerosols have the potential to influence the formation, lifetime and composition of the prominent stratocumulus clouds and fog, and, on deposition, they can impact the biogeochemical cycle of the upwelling waters offshore. However, despite its importance, only global studies of the dust cycle in the Atacama Desert exist with significant uncertainties regarding the dust emission rates. This thesis provides the first quantitative assessment of the dust activity in the Atacama. Dust reports and meteorological data from ground-based observations spanning 72 years (1950-2021) were analysed. 1920 dust days were recorded, with less than 10% dust storms. The mean threshold wind speed for at least 5% of dust event-occurrence is 10.9±1.6 m/s which is twice as large as the values in the Taklamakan, Western Sahel, and Sudan, and consistent with the perceived infrequent dust activity despite the exceptional aridity. The threshold wind speed depends on the soil properties such as particle size distribution, soil composition and soil moisture and, surface characteristics such as surface roughness and vegetation. Therefore, using the Portable in situ Wind Erosion Lab (PI-SWERL), the dependence of the threshold wind speed given soil surface conditions in the Atacama was analysed. It is found that the mean threshold wind speeds required for dust emission over crusted surfaces are nearly twice that of disturbed surfaces where crusts were removed, indicating the role of surface crusts in controlling the dust emission potential. The maximum dust concentration measured at the lowest friction velocity is almost an order of magnitude higher from disturbed surfaces than crusted surfaces. The thresholds from the ground-based observations were validated against the in-situ measurements from the undisturbed crusted surfaces. An agreement between the station estimates and the in-situ values at Chuculay is found, but the station estimates are higher than those measured at Pisagua. This is because the surfaces are very heterogeneous, even locally, making it difficult to constrain the threshold wind speeds. Nevertheless, these results show that very high wind speeds are required to trigger dust emission from the crusted desert surfaces in the Atacama. On investigating the meteorological processes that drive dust activity, the study that the dust activity is connected to the thermal wind circulation in the Atacama. The dust activity peaks just before the wind maximum, suggesting the possibility of dry convection driving the diurnal cycle of dust. The dustiest station, Chañaral, recorded most dust events in the summer (DJF) in agreement with several global aerosol models. However, a winter-spring maxima was found at other stations. This was also observed for dust storms, as 70% of the dust storms were recorded in the winter and spring. 42% of the dust storms were recorded in Calama. Dust storms usually require sufficiently large pressure gradients to generate high wind speeds for dust emission and transport. Hence, ERA5 reanalysis data was visually inspected to identify the synoptic weather patterns associated with dust storms. The analysis revealed that more than half of the dust storms in the Atacama were associated with mid-tropospheric troughs and their surface lows (54.6%), 22.3% with cut-off lows, 8.5% each with intense anticyclones and coastal lows and 6.1% with ridges. Composite analysis of the wind speeds during dust storms shows that these synoptic weather patterns induce wind speeds that are well above the climatological mean at the station, and at times, it is the uncharacteristic direction that the wind blows from that triggers dust storms in the Atacama.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aride und semiaride Gebiete sind als Quellen von aus Mineralstaub bestehenden Aerosolen bekannt, doch über die Staubaktivität in der ariden Atacama-Wüste weiß man wenig. Solche mineralstaubhaltigen Aerosole haben Auswirkungen sowohl auf den Menschen als auch das Klimasystem. Durch Absorption und Streuung von Strahlung beeinflussen sie die globale Strahlungsbilanz. Sie fungieren als wolkenbildende Kondensations- bzw. Kristallationskeime und düngen terrestrische und marine Ökosysteme. In der Atacama-Wüste haben Staubaerosole das Potenzial, die Bildung, Lebensdauer und Zusammensetzung der dort häufig auftretenden Stratokumuli und Nebelbänke zu beeinflussen. Bei Ablagerung können sie sich auf den biogeochemischen Kreislauf der der Atacama vorgelagerten Küstenauftriebsgebiete auswirken. Doch trotz seiner Bedeutung gibt es nur Studien, die den Staubkreislauf der Atacama-Wüste im globalen Kontext betrachten, mit großen Unsicherheiten hinsichtlich der Staubemissionsraten. Diese Studie stellt die erste quantitative Erhebung und Analyse der Staubaktivitäten in der Atacama-Wüste dar. Dafür wurden Augenbeobachtungen und meteo- rologische Daten aus Bodenbeobachtungen über einen Zeitraum von 72 Jahren (1950-2021) ausgewertet. Es wurden insgesamt 1920 Staubtage gezählt, wovon an weniger als 10% der Tage Staubstürme registriert wurden. Die mittlere Mindestwindgeschwindigkeit für das Auftreten von mind. 5% Staubereignissen liegt bei 10,9±1,6 m/s und ist damit doppelt so hoch wie die Werte in der Taklamakan-Wüste, der westlichen Sahelzone und im Sudan. Dies deckt sich mit der trotz der außergewöhnlichen Trockenheit als selten wahrgenommenen Staubaktivität. Die Mindestwindgeschwindigkeit hängt sowohl von Bodeneigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Bodenzusammensetzung und -feuchtigkeit als auch von Oberflächen- merkmalen wie Rauigkeit und Vegetation ab. Daher wurde mittels des Portable in situ Wind Erosion Lab (PI-SWERL) die Mindestwindgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Beschaffenheiten der Bodenoberflächen in der Atacama untersucht. Es konnte ermittelt werden, dass die für die Staubemissionen verkrusteter Oberflächen notwendigen mittleren Mindestwindgeschwindigkeiten fast doppelt so hoch sind wie die gestörter Oberflächen deren Krusten entfernt wurden. Dies weist auf die entscheidende Rolle der Oberflächenkrusten bei der Regulierung des Staubemissionspotenzials hin. Die maximale Staubkonzentration, die bei der niedrigsten Schubspannungsgeschwindigkeit gemessen wurde, ist auf gestörten Oberflächen fast eine Größenordnung höher als auf verkrusteten Oberflächen. Die Min- destwindgeschwindigkeiten aus den Bodenbeobachtungen konnten im Abgleich mit den an unbeschädigten, verkrusteten Oberflächen vorgenommenen in situ-Messwerten bestätigt werden. In Chuculay stimmen die kalkulierten Mindestgeschwindigkeiten mit den gemessenen überein, wohingegen in Pisagua die kalkulierten Werte über den gemessenen liegen. Das liegt an der großen Heterogenität der Oberflächen, auch lokal, was es schwierig macht, die Mindestwindgeschwindigkeiten präzise einzugrenzen. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass es sehr hoher Windgeschwindigkeiten bedarf, um Staubemissionen von den Wüstenflächen der Atacama freizusetzen. Bei der Untersuchung von den meteorologischen Prozessen, die Staubaktivität bedingen, konnte festgestellt werden, dass die Staubaktivitäten in der Atacama mit thermischer Windzirkulation in Verbindung stehen. Die Staubaktivität erreicht ihren Höhepunkt kurz vor dem Windmaximum, was auf die Möglichkeit trockener Konvektion als Antrieb für den täglichen Staubzyklus hindeutet. Die staubreichste Station, Chanaral, verzeichnete in Übereinstimmung mit mehreren globalen Aerosolmodellen die meisten Staubereignisse im Sommer (DJF). An anderen Stationen wurde jedoch ein Winter-/Frühjahrsmaximum festgestellt. Dies gilt auch für Staubstürme, von denen 70% im Winter und Frühjahr registriert wurden. 42% aller Staubstürme wurden in Calama registriert. Da Staubstürme in der Regel ausreichend große Druckgefälle benötigen, um hohe Windgeschwindigkeiten für Staubemission und transport zu erzeugen, wurden ERA5-Reanalysedaten einer visuellen Prüfung unterzogen, um die mit den Staubstürmen verbundenen synoptischen Wettermuster zu identifizieren. Die Analyse ergab, dass mehr als die Hälfte der Staubstürme in der Atacama mit mitteltroposphärischen Trögen und deren Bodentiefs (54,6%), 22,3% mit Cut-Off Lows, jeweils 8,5% mit intensiven Antizyklonen und Küstentiefs und 6,1% mit Höhenrücken verbunden waren. Die Gesamtanalyse der Windgeschwindigkeiten während der Staubstürme zeigt, dass diese synoptischen Wettermuster Windgeschwindigkeiten hervorrufen, die weit über dem klimatologischen Mittelwert an der Station liegen. Zuweilen ist es die untypische Windrichtung, die die Staubstürme in der Atacama auslöst. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pinto, Rovina rpinto1@uni-koeln.de orcid.org/0000-0003-2624-6028 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-748447
Date:	8 January 2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language mineral dust English atacama English dust emission English wind erosion English
Date of oral exam:	4 June 2024
Referee:	Name Academic Title Fiedler, Stephanie Prof. Dr. Löhnert, Ulrich Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74844