Mineralstaub ist eine Schlüsselkomponente des Erdsystems. Die Hebung, der Transport und die Ablagerung von Mineralstaub beeinflussen das Klima durch Strahlungseffekte und durch die Ablagerung von Staub im Ozean. Das Verständnis dieser Prozesse ist derzeit durch einen Mangel an In-situ-Messungen begrenzt, was zu einer großen Unsicherheit in Bezug auf die chemischen, mikrophysikalischen, optischen und Strahlungseigenschaften von Mineralstaub führt.

Diese Arbeit stellt eine Analyse von Staubmessungen vor, die während der FRontiers in dust minerAloGical coMposition and its Effects upoN climaTe (FRAGMENT) Kampagnen durchgeführt wurden, die im August-September 2019 über Südmarokko und im August- September 2021 über Island stattfanden. Die Proben werden für Offline-Analysen mit SEM/EDX gesammelt und dienen dazu, Einblicke in die chemische Zusammensetzung, die Partikelgrößenverteilung (PSD), den Mischungszustand sowie die Form und Morphologie von luftgetragenem Staub zu gewinnen. Der Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung und dem Vergleich von Staubproben aus zwei unterschiedlichen Herkunftsregionen, Nordafrika (Marokko) und den hohen Breitengraden (Island).

Die marokkanischen Staubpartikel bestehen mineralogisch überwiegend aus (Alumino- )Silikaten wie Tonmineralien, Quarz und Feldspat mit unterschiedlichen Mengen an Karbonaten und eisenhaltigen Mineralien. Es wird eine umfassende Analyse der PSD und des potenziellen Mischungszustands verschiedener Partikeltypen durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf eisenreichen (Fe-Oxid-Hydroxide) und Feldspatpartikeln liegt, die für die Auswirkungen des Staubs auf die Strahlung bzw. die Wolken entscheidend sind. Nahezu reine oder extern gemischte Fe-Oxid-Hydroxide sind meist in Durchmessern kleiner als 2 μm vorhanden, wobei der höchste Anteil unter 1 μm bei etwa 3.75 % Massenanteil liegt. Fe-Oxid-Hydroxide neigen dazu mit zunehmender Pratikelgröße intern mit anderen Mineralien, insbesondere Tonen, sich zu vermischen, d. h. der Volumenanteil von Fe-Oxid- Hydroxiden in Aggregaten nimmt mit der Partikelgröße ab. Reiner (extern gemischter) Feldspat machte 3.2 % der Masse aller Partikel aus, von denen schätzungsweise etwa ein Zehntel K-Feldspat ist. Die Häufigkeit von extern gemischtem Feldspat und K-Feldspat ist mit der Partikelgröße relativ unveränderlich, während die Häufigkeit von feldspatähnlichen (intern gemischten) Aggregaten mit der Partikelgröße zunimmt, wobei die Massenanteile von 5 % bis 18 % reichen. Das mittlere Aspektverhältnis ist über die Partikelgröße und Mineralgruppen hinweg ziemlich konstant, obwohl bei intern gemischten Partikeln ein etwas höheres Aspektverhältnis beobachtet wird.

Die isländischen Staubpartikel sind hinsichtlich Größe, Form und elementarer Zusammensetzung heterogen, wobei die Partikelgruppe der mittleren Aluminiumsilikate (höchstwahrscheinlich glasartig) über alle Größenbereiche hinweg den größten Anteil ausmacht (35 % - 93 % nach Volumen). Sulfatpartikel wurden in wenigen Proben gefunden, was auf einen Beitrag vulkanischer Emissionen zur Aerosolbelastung schließen lässt. Fe-reiche und Ti-reiche Partikel machten 3.5 % bzw. 1.8 % des Partikelvolumens aus und waren hauptsächlich in der Feinfraktion vorhanden. Außerdem wurde beobachtet, dass der Eisenanteil in den einzelnen Partikeln intern mit den Silikatphasen vermischt ist. Das mediane Aspektverhältnis der Partikel ist größenabhängig und nimmt mit der Partikelgröße zu. Die Gesamtzusammensetzung war zwischen dem Hauptuntersuchungsgebiet und den regionalen Ausströmungsgebieten konsistent, mit Ausnahme eines bestimmten Ortes, der von der lokalen Emission weniger betroffen war.

Diese Arbeit unterstreicht, dass marokkanischer (Sahara-)Staub und isländischer Staub auf der Ebene der einzelnen Partikel eine relativ ähnliche elementare Zusammensetzung, aber eine grundlegend andere Mineralogie aufweisen, was auf die unterschiedlichen geologischen Ausgangssedimente zurückzuführen ist. Hinsichtlich der Fe-Verteilung auf die Partikel wurden Unterschiede zwischen isländischem und marokkanischem Staub festgestellt. Die allgemeine Formverteilung von isländischem und saharischem Staub ist recht ähnlich, obwohl eine Abhängigkeit von der Größe bei isländischem Staub, nicht aber bei marokkanischem Staub beobachtet wird.

Die Einzelpartikelanalyse in dieser Arbeit zeigt, dass Staubpartikel meist intern gemischt, überwiegend asphärisch und morphologisch komplex sind. Viele Erdsystemmodelle gehen immer noch von einer global einheitlichen mineralogischen Zusammensetzung oder von zu stark vereinfachten Zusammensetzungs- und physikalischen Parametern aus und führen daher zu Fehlern bei der Bewertung des regionalen Einflusses von Staub. Die hier vorgestellten detaillierten Informationen über die chemische Zusammensetzung und Morphologie einzelner, frisch emittierter Staubpartikel und die quantitative Analyse ihres Mischungszustands können verwendet werden, um Klimamodelle einzuschränken, die mineralische Arten in ihre Darstellung des Staubkreislaufs einbeziehen.