Quelle: Max-Planck-Institut für Biogeochemie 20. Oktober 2022.

20. Okober 2022 – Das ITMS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und soll der Bundesregierung und der Öffentlichkeit gesicherte Informationen zu Stand und Entwicklung der Treibhausgasflüsse zur Verfügung stellen.

Neu daran ist, dass die Quellen (Freisetzung) und Senken (Aufnahme) von Treibhausgasen, nun auf Beobachtungen basierend, unabhängig ermittelt werden können: Auf der Grundlage der gemessenen Konzentrationen in der Atmosphäre und mittels aktueller Modellierung der Quellen- und Senkenprozesse sowie des meteorologischen Transports werden neue Berechnungen mit einer hohen Zuverlässigkeit ermöglicht. Gerade vertrauenswürdige Daten sind für eine faktenbasierte Politik zur Eindämmung des Klimawandels, für die Steuerung des Handels mit CO₂-Zertifikaten und den Weg zu einer klimaneutralen Wirtschaft (NetZero) von besonderer Relevanz.

Zum Kick-Off Meeting vom 18. bis 20. Oktober 2022 am MPI-BGC trafen sich die beteiligten Forschungspartner mit einem erweiterten Kreis interessierter Forschungsgruppen, um die konkreten Pläne für die erste vierjährige Projektphase abzustimmen.

Dazu erklärt Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger: „Die Bewältigung des Klimawandels ist eine Menschheitsaufgabe, die uns nur mit Forschung und Innovationen gelingen wird. Mit dem Integrierten Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland können erstmals Treibhausgasquellen und -senken direkt überwacht werden. Dadurch erhalten wir ein genaueres Lagebild für einen besseren Klimaschutz und können Klimaschutzmaßnahmen auf ihre Wirksamkeit hin überprüfen.“

Inverse Modellierung findet Quellen und Senken
Quellen und Senken von Treibhausgasen sowie deren Herkunft an der Oberfläche unserer Erde können mit Hilfe der „inversen Modellierung“ ermittelt werden. Dieses Verfahren nutzt echte Beobachtungsdaten von atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen und unter Zuhilfenahme eines Modells lässt sich auf die räumliche Verteilung sowie die Stärke der Quellen und Senken rückschließen. „Die erste Projektphase wird es ermöglichen, existierende Beobachtungsdaten der atmosphärischen Treibhausgase vom Boden, aus der Luft sowie aus dem Weltraum mit der operationellen Wettervorhersage zusammenzubringen. In weiteren Projektphasen werden Änderungen der Treibhausgasemissionen verschiedener Sektoren, wie z.B. der Energieerzeugung, der Landwirtschaft oder dem Verkehr in Zeiträumen von Monaten bis mehrere Jahre und Jahrzehnte bestimmt werden“, so Dr. Christoph Gerbig vom MPI für Biogeochemie. Die von ihm geleitete Forschungsgruppe wird zusammen mit dem Referat Emissionsverifikation Treibhausgase des Deutschen Wetterdienstes (DWD) die inverse Treibhausgas-Modellierung für Deutschland entwickeln. „Beim DWD werden wir die inverse Modellierung in den operationellen Betrieb überführen und so die Politikberatung zum Treibhausgas-Monitoring verstetigen“, sagt Tobias Fuchs, DWD Vorstand Klima und Umwelt.

Nordstream-Leckagen zeigen die Bedeutung echter Messungen
Wie wichtig reale Messungen sind, zeigen jüngst die Lecks von Nordstream 1 und 2, aus denen große Mengen von Methan (CH₄) in die Atmosphäre gelangten. Treibhausgase sind nicht sichtbar, werden aber unter anderem von Messtationen des Integrated Carbon Observation System (ICOS) am Boden und von Satelliten aus erfasst. „Mithilfe des auf unserem Wettervorhersagesystem ICON aufbauenden atmosphärischen Transportmodells ICON-ART konnten wir den Weg der Abluftfahne über Nordeuropa unmittelbar nachverfolgen“, so Tobias Fuchs weiter.

Satellitendaten sind ein bedeutender Baustein
Zu den wichtigsten Fortschritten des ITMS gehört die Verbesserung des Datenflusses von den verschiedenen Beobachtungssystemen, die Messungen am Boden, von Flugzeugen und von Satelliten umfassen. Hierbei werden insbesondere die neuen Satellitendaten wichtige Beiträge leisten. „Hochaufgelöste Satellitenmessungen der atmosphärischen Konzentration erlauben es, die Emissionsstärke von lokalen CO₂– und CH₄-Quellen vom Weltall aus zu quantifizieren, dies haben wir mit Flugzeugmessungen demonstriert“, erläutert Dr. Heinrich Bovensmann von der Universität Bremen. Für die neuen Satellitensysteme wie z.B. Copernicus CO2M und MERLIN konnte dies anhand von flugzeug-gestützten Messungen demonstriert werden.

Den Ursprung zu kennen, ist die Voraussetzung für erfolgreiche Maßnahmen
Aber auch das Wissen über einzelne Emissionsprozesse wird im ITMS weiterentwickelt und für das Modellsystem verfügbar gemacht:
„Es ist unabdingbar, die Quellen von Treibhausgasemissionen räumlich und zeitlich im Detail besser aufzulösen“, so Dr. Ralf Kiese vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Um Quellen, und Senken biologischen Ursprungs zu berechnen, verwendet sein Team prozessbasierte Simulationsmodelle. In Zusammenspiel mit Schätzungen zu Emissionen aus Verkehr und Industrie wird es zukünftig möglich sein, zwischen Emissionen aus fossilen Quellen, der Land- und Forstwirtschaft sowie natürlichen Quellen wie Feuchtgebieten zu unterscheiden. „Damit können mit ITMS konkrete Maßnahmen zur Senkung lokaler Emissionen bewertet werden.“

Im Rahmen des ITMS fördert das BMBF Forschungsprojekte zu Kernkomponenten in den Bereichen Atmosphärische Modellierung, Beobachtungsdaten sowie Quellen und Senken. Auf diese Kernprojekte werden weitere Beiträge zum ITMS aufbauen. Zu den federführenden Partnern gehören das Max-Planck-Institut für Biogeochemie, der Deutsche Wetterdienst (DWD), das Institut für Umweltphysik der Universität Bremen, das Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie das Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Des Weiteren sind auch das Umweltbundesamt sowie das Thünen-Institut für Agrarklimaschutz beteiligt, die beide eine zentrale Rolle in der nationalen Berichterstattung spielen.

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Quelle: DLR 7. Oktober 2022.

7. Oktober 2022 – Seit vergangener Woche bestimmen die Lecks an den Erdgaspipelines Nord Stream 1 und 2 die Schlagzeilen im Ostseeraum. Ersten Schätzungen zufolge sind dabei innerhalb weniger Tage zwischen 100 und 500 Kilotonnen Methan ins Meer geströmt. Unklar ist derzeit noch, welcher Anteil des Methans davon im Ozean verbleibt, und wieviel Methan in die Atmosphäre entwichen ist. In Zusammenarbeit mit dem Umweltprogramm der Vereinten Nationen gelang es nun dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Technischen Universität Braunschweig und weiteren Partnern erstmals direkt vor Ort in der Luft die Methankonzentrationen an den Lecks der Nord-Stream-Pipelines zu vermessen. Dazu bestückte das Forschungsteam eine Hubschraubermesssonde mit Instrumenten und flog diese am 5. Oktober 2022 über der Ostsee. Zudem werteten Forscherinnen und Forscher des DLR Radardaten sowie optische Satellitenaufnahmen aus, die den Gasaustritt an den bekannten Lecks bestätigen und den Verlauf ihrer Ausdehnung andeuten.

„Die kurzfristig organisierten Aktivitäten des DLR rund um die Analyse der Lecks an den Nord Stream-Pipelines zeigen unsere Leistungsfähigkeit und vielschichtigen Möglichkeiten der Erdbeobachtung“, sagt DLR-Bereichsvorständin Raumfahrt Dr. Anke Pagels-Kerp. „Mit den Flügen in der Region der Leckagen werden wir genauer verstehen können, wieviel Methan auch jetzt noch austritt und wie es sich lokal an den Austrittsstellen ausbreitet. Mittels der Radarbeobachtungen aus dem All, sehen wir das Potential unsere maritime Infrastruktur zukünftig intensiver zu überwachen, unabhängig von Bewölkung, Wetter und Tageszeit.“

Messinstrumente schweben 50 Meter über dem Meer
In enger Kooperation mit dem Institut für Flugführung (IFF) der Technischen Universität Braunschweig fanden insgesamt zwei Hubschrauberflüge ausgehend von der polnischen Küste bei Kohlberg statt. Das IFF betreibt die hubschraubergetragene Schleppsonde HELiPOD mit umfangreicher Technik für atmosphärische Messungen, die bereits im Juni 2022 bei Messungen der Methan-Emissionen aus Steinkohle-Schächten in Polen sowie bei der internationalen Arktis-Driftkampagne MOSAiC im Einsatz war. Der HELiPOD wird als Schlingenlast an einem rund 25 Meter langen Seil unter dem Hubschrauber geflogen. Für die aktuellen Flüge war dieser zusätzlich mit einem Methaninstrument des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre bestückt. Eine wichtige Hilfestellung leistete das Technische Hilfswerk Braunschweig (THW) bei der kurzfristigen logistischen Vorbereitung der Messungen. Den Hubschrauber stellte die polnische Firma Helipoland zur Verfügung.

Die Messflüge wurden zudem durch die IMEO Initiative des UN-Umweltprogramms (UNEP) unterstützt. „Die Methanlecks von Nord Stream 1 und 2 haben deutlich gemacht, wie wichtig es ist, die Methanemissionen weltweit genau zu überwachen, und zwar auf allen zeitlichen und räumlichen Skalen. UNEP ist stolz darauf, diese Messung durch das DLR unterstützt zu haben“, sagt Manfredi Caltagirone, Leiter des International Methane Emissions Observatory (IMEO) des UN-Umweltprogramms, und fügt hinzu: „IMEO wird weiterhin daran arbeiten, Methanemissions-Daten weltweit verfügbar zu machen, um die Reduzierung der Methanemissionen zu beschleunigen.“

Bei den Flügen konnten Messungen auf der windzugewandten Seite (im Luv) und auf der windabgewandten Seite (im Lee) der bekannten Stellen der Lecks durchgeführt werden. „Dabei konnten wir mit den Instrumenten im HELiPOD auf niedrigen Höhen bis hinunter auf etwa 50 Meter über dem Meer Daten sammeln“, erklärt die Leiterin der Messkampagne Dr. Anke Roiger vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. „Die detaillierten Messungen der Methankonzentration im Umfeld der Lecks werden uns helfen die Ausbreitung der Methanemissionen aus den verschiedenen Lecks zu charakterisieren und somit die Schätzungen der Emissionsraten zu prüfen. Diese direkten flugbasierten Messungen in der Luft schließen die Beobachtungslücke zwischen den Boden- und Satellitenbeobachtungen der letzten Tage.“ Während der Flüge zeigte der HELiPOD-Missionsmonitor im Cockpit die Messungen online an, sodass der Hubschrauber erfolgreich durch die optisch unsichtbaren Methanwolken fliegen konnte.

Erdgas besteht größtenteils aus Methan, das nach Kohlenstoffdioxid das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas ist. Messflüge des DLR hatten in den letzten Monaten bereits mit HALO-Flügen in Kanada und Falcon-Flügen an der Westküste Zentralafrikas Methanquellen untersucht. Besonderes Interesse galt dabei der Analyse von Emissionen der jeweils aktiven Öl- und Gasindustrie, aber auch natürlichen Quellen wie Feuchtgebieten und auftauende Permafrostböden. Die Methandetektion aus dem All ist mit heutigen passiven Satelliten insbesondere über dem Meer noch sehr ungenau. Zukünftig wird die deutsch-französische Satellitenmission MERLIN (Methane Remote Sensing Mission) mittels eines am DLR entwickelten laserbasierten LIDAR-Sensors regionale und globale Emissionen des Treibhausgases Methan deutlich präziser aus dem All bestimmen können.

Satellitenbeobachtung aus dem All – Potential für das Monitoring maritimer Infrastrukturen
Satellitenaufnahmen aus dem Weltall, aufgenommen vom europäischen Radarsatelliten Sentinel-1A, konnten am 29. September und 1. Oktober 2022 das fortwährende Austreten von Gas bestätigen. Die hohe austretende Gasmenge erzeugte an der Wasseroberfläche starke Strudel, die das Radarsignal stärker zurückstreuen als das umgebende „ruhigere“ Wasser und dadurch in den Radaraufnahmen gut sichtbar sind. Sentinel-1A umkreist die Erde in einer Höhe von rund 700 km auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn und ist dank seiner aktiven Radarantenne in der Lage, die Meeresoberfläche durch Wolken und Nebel hindurch abzubilden – bei jedem Wetter, Tag und Nacht. Hinzugezogen zu den Auswertungen wurden auch Aufnahmen des optischen Satelliten Sentinel-2 vom 30. September.

Mit den unerwarteten Lecks in den Pipelines Nord Stream 1 und Nord Stream 2 rückt das kontinuierliche Monitoring kritischer maritimer Infrastrukturen verstärkt in den Fokus. Hier könnten vor allem wetterunabhängig beobachtende Radarsatelliten zukünftig eine wichtige Rolle spielen. „Die notwendigen Satelliten wie Sentinel-1A, aber auch die deutschen Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X sind bereits im Orbit. Hinzu kommt bereits 2023 mit Sentinel-1C der nächste Copernicus Radar-Satellit“, erklärt Prof. Stefan Dech, Direktor am Earth Observation Center (EOC) des DLR. „Durch Anpassung der Beobachtungsroutinen könnten die Satelliten zukünftig verstärkt auch zur Beobachtung maritimer Infrastrukturen genutzt werden, um beispielsweise ungewöhnliche Schiffsbewegungen und andere Auffälligkeiten nahe solcher Einrichtungen auf dem Meer frühzeitig zu erfassen. Hier haben wir dank der großen Fortschritte bei der automatischen Datenauswertung und Mustererkennung mittels künstlicher Intelligenz ein großes Potential für zukünftige Monitoring-Systeme und Beobachtungsalgorithmen.“ Ergänzt werden diese Fähigkeiten schon heute durch die Nutzung optischer Satelliten wie beispielsweise Sentinel-2 oder auch Landsat.

Das Earth Observation Center (EOC) betreibt am DLR-Standort in Neustrelitz neben Funktionen des ESA Kern-Bodensegments auch eigene Systeme, um Sentinel-Daten zu empfangen und diese in nahe Echtzeit auszuwerten. Dabei stellt die Nutzung im Kontext der maritimen Sicherheit einen Schwerpunkt dar: So liefern Satellitendaten längst eine wichtige Grundlage bei der Beobachtung der Wind- und Seegangsverhältnisse sowie bei der Erkennung von Ölverschmutzungen, Gefahrstoffverklappung oder illegaler Fischerei.

An den Standorten in Neustrelitz und in Bremen betreibt das DLR zwei Forschungsstellen „Maritime Sicherheit“. In Bremen entwickelte thematische Prozessoren, etwa zur Detektion von Schiffen oder Eisbergen aus Radarsatellitenaufnahmen, werden in die hierfür in Neustrelitz entwickelten Systeme eingebunden und operationalisiert. Ergänzend arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Neustrelitz an Daten optischer Satelliten für integrierte Lösungen, die verschiedene Satelliteninstrumente und Aufnahmen kombinieren.

Am neugegründeten DLR-Institut für den Schutz maritimer Infrastrukturen in Bremerhaven laufen bereits erste Forschungsarbeiten, wie zukünftig Lagebilder über und unter Wasser realisiert und geschickt genutzt werden können. Unter Berücksichtigung der gesellschaftlichen Rahmenbedingungen werden diese Technologien in enger Abstimmung mit Behörden und Betreibern erprobt und für die Marktreife vorbereitet.

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