Quelle: Universität Bremen 12 Januar 2023.

12. Januar 2023 – Das Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen ist ein weltweit führendes Institut im Bereich der Auswertung und Interpretation globaler Satellitenmessungen der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Methan (CH₄) und weiterer atmosphärischer Spurengase, die für Klima und Luftqualität von großer Bedeutung sind. Das Institut leitet das Treibhausgas-Projekt GHG-CCI der Klimawandelinitiative der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und liefert entsprechende Daten an den europäischen Copernicus Klimawandel-Service C3S und an den Copernicus Atmosphärenbeobachtungs-Service CAMS. Die neueste Copernicus Mitteilung zur Treibhausgasentwicklung (Link siehe unten) basiert wesentlich auf den vom IUP bereitgestellten Satelliten-Daten und deren Analyse.

„Der Methan-Anstieg bleibt in 2022 mit etwa 0,6% sehr hoch, liegt aber unterhalb der Rekordwerte der vergangenen beiden Jahre. Unsere Vermutung dafür ist, dass es einerseits mehr Emissionen gegeben hat, gleichzeitig aber die atmosphärische Methansenke abgenommen hat. Der CO₂-Anstieg ist mit etwas über 0,5% ähnlich hoch wie in den vergangenen Jahren“, fasst Umweltphysiker Dr. Michael Buchwitz erste Ergebnisse zusammen.

Treibhausgasmessungen seit 2002
Die Zeitserien der Treibhausgasmessungen aus dem Weltraum beginnen 2002 mit dem von der Universität Bremen vorgeschlagenen und wissenschaftlich betreutem SCIAMACHY-Instrument auf dem europäischen Umweltsatelliten ENVISAT. Diese Messungen werden derzeit unter anderem von japanischen (GOSAT und GOSAT-2) und amerikanischen (OCO-2) Satelliten fortgesetzt.

Die Satelliten messen das vertikal gemittelte Mischungsverhältnis von CO₂ und CH₄. Diese Messgrößen werden mit XCO2 und XCH4 bezeichnet und sie unterscheiden sich von den üblicherweise berichteten Messungen bodennaher Konzentrationen. Die Daten werde in den Einheiten „Teilchen pro Millionen“ (parts per million, ppm) für CO₂ und „Teilchen pro Milliarde“ (parts per billion, ppb) für CH₄ angegeben. Eine XCO2 Konzentration von 400 ppm bedeutet, dass die Atmosphäre 400 CO₂-Moleküle pro eine Millionen Luftmoleküle enthält. „Methan ist 2022 etwa um 11,8 ppb gestiegen, CO₂ um 2,1 ppm“, so Buchwitz.

Die anhängende Abbildung zeigt oben den Zeitverlauf der Konzentrationen beider Gase seit 2003. Wie man sieht, steigt CO₂ nahezu gleichförmig an – im Gegensatz zum Methan. In den Jahren 2000 bis 2006 war die Methankonzentration im Mittel stabil. Seit 2007 jedoch steigt Methan (wieder) an, und zwar mit besonders hohen Anstiegsraten in den vergangenen Jahren (Abbildung unten). Die Rekordwerte der Jahre 2020 und 2021 sind vermutlich mit einer COVID-19-induzierten Erhöhung der Methansenke verbunden, aber auch mit einem Anstieg der Methan-Emissionen (Details siehe „Copernicus Pressemitteilung“).

„Leider gibt es noch viele Wissenslücken bezüglich der diversen natürlichen und anthropogenen Quellen und Senken von Methan und anderen Treibhausgasen“, sagt Buchwitz. „Es ist daher nach wie vor erforderlich, das bestehende System zur globalen Beobachtung klimarelevanter Parameter optimal zu nutzen und weiter zu verbessern.“

Weitere Informationen:
Copernicus Pressemitteilung „2022 was a year of climate extremes, with record high temperatures and rising concentrations of greenhouse gases“:
https://climate.copernicus.eu/copernicus-2022-was-year-climate-extremes-record-high-temperatures-and-rising-concentrations

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• Klimawandel

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Quelle: ESA.

Ungewöhnlich starke Winde hatten die niedrigen Ozonwerte verursacht. Die auch als Polarwirbel bezeichneten Luftströmungen verhindern eine Vermischung der Luftmassen über dem Nordpol mit Luft aus niedrigeren Breiten und sorgen für einen Isolation der Atmosphäre über dem Pol. Dadurch kam es zu sehr tiefen Temperaturen und Bedingungen, wie sie üblicherweise regelmäßig über der Antarktis auf der Südhalbkugel auftreten.

Als die Märzsonne auf die kalte Luft über der Arktis traf, wurden Bor- und Chloratome frei. Bor und Chlor sind Gase, die über Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) in die Atmosphäre eingetragen werden, und in atomarer Form Ozon in normalen molekularen Sauerstoff O₂ umwandeln können. Letzteres geschieht hauptsächlich in der unteren Stratosphäre rund 20 Kilometer über der Erdoberfläche.

Ozon stellt in der Atmosphäre eine Schutzschicht vor einem zu hohen Ultraviolettanteil im Sonnenlicht dar. In rund 25 Kilometern Höhe wirkt Ozon als Filter, der beispielsweise das Risiko von Hautkrebs und Augenschäden deutlich reduziert, und so auch das Leben im Meer begünstigt.

Über der Arktis variieren Temperaturen von Winter zu Winter in einer großen Bandbreite. Im Winter 2010 waren Temperaturen und der Ozongehalt in der Atmosphäre über der Arktis sehr hoch. Besonders niedrige Temperaturen über dem Nordpol waren zum letzten Mal im Winter 1997 gemessen worden.

Wissenschaftler untersuchen jetzt, warum in den Wintern 2011 und 1997 so außergewöhnlich niedrige Temperaturen auftraten. Außerdem versuchen sie herauszufinden, ob diese scheinbar zufällig auftretenden Zustände in einer Beziehung zum weltweiten Klimawandel stehen.

Angesichts des Klimawandels könnte man erwarten, dass die Durchschnittstemperatur in der Stratosphäre sinkt, was zu einer ausgedehnteren Zerlegung von Ozon führen würde. Andererseits gibt es Studien, die auf eine Ausdehnung der Luftmassenumwälzung über der nördlichen Hemisphäre sprechen, wodurch aus den Tropen herangeführtes Ozon die Verluste durch die Ozonzerlegung über der Arktis reduzieren könnte.

Für eine fundierte Prognose, wie sich der Ozongehalt über der Arktis entwickeln wird, werden verbesserte Modelle und zusätzliche Beobachtungsdaten benötigt. Ohne die schon erfassten Daten wäre sie überhaupt nicht möglich. Die Europäische Weltraumagentur (ESA) widmet den erforderlichen Forschungen ein eigenes Projekt.

Die Messungen von Envisats Instrumenten GOMOS, MIPAS und Sciamachy liefern einzigartige Informationen über den Ozongehalt in der Atmosphäre. Weil diese so wichtig für die Bestimmung der einzelnen chemischen und dynamischen Prozesse sind und bei der Beurteilung des Einflusses des Klimawandels auf die Stratosphäre helfen, hofft man, die Instrumente des alternden Satelliten noch möglichst lange betreiben zu können.

Nach dem Bann durch das Protokoll von Montreal, verabschiedet im September 1987 von den Vereinten Nationen, sind die FCKW noch lange nicht aus der Luft verschwunden. Immerhin ist eine Abnahme ihrer Konzentration zu verzeichnen. Trotzdem werden sie in den kommenden Dekaden immer wieder gravierende Ozonverluste verursachen, sinken die Wintertemperaturen nur tief genug ab.

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: NOAA, ESA, eigene Recherche. Vertont von Peter Rittinger.

Patrick Cullis und Marc Weekley haben gerade ein volles Jahr lang in der Antarktis gearbeitet. Nicht immer konnten die Stratosphärenballons starten, wenn etwa gerade ein Sturm mit 130 Kilometern in der Stunde über das South Pole Observatory fegte. Einmal pro Woche starteten die US-Wissenschaftler der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) einen Ballon und vermaßen dabei die vertikale Ausdehnung der Ozonschicht. In diesem Jahr erreichte es am 26. September seine maximale Ausdehnung und war mit 23,8 Millionen Quadratkilometern so groß wie der nordamerikanische Kontinent.

Das Ozonloch entstand durch die Freisetzung sehr stabiler halogenierter Kohlenwasserstoffe (FCKWs). Diese gelangten nach einiger Zeit in die Stratosphäre, die sich aufgrund anderer Temperatur- und Strömungseigenschaften nur wenig mit der unteren Luftschicht, der Troposphäre, austauschen kann. FCKWs können in der Stratosphäre ungestört mit Ozonmolekülen reagieren, was Halogenradikale wie Chlor, Brom oder Fluor freisetzt. Diese sind äußerst reaktionsfreudig und tragen als Katalysatoren zum effektiven Abbau der Ozonschicht bei.

Ganz so schlimm sieht Diego G. Loyala R. vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Lage nicht: „In den letzten 14 Jahren gab es einen schwachen aber positiven Trend.“ Er hatte zusammen mit Kollegen aus ganz Europa Daten verschiedener Umweltsatelliten und bodengestützter Messungen ausgewertet. Viele Observatorien haben ständig ein wachsames Auge auf die Ozonschicht, darunter die ESA-Satelliten ERS-2, Envisat oder der schwedische Odin. Auch Material der US-Instrumente SBUV, SAGE I und SAGE II sowie HALOE kam zum Einsatz. Dabei wurde die Größe des Ozonlochs über die vergangenen 14 Jahre rekonstruiert.

Die Geschichte des Ozonlochs lässt sich in zwei Perioden untergliedern. Von 1979 bis 1997 stieg die Größe des Ozonlochs über der Antarktis um rund sieben Prozent pro Jahrzehnt. Die ungehemmte Freisetzung von FCKWs setzte nicht sofort mit der Ratifizierung des Montreal-Protokolls aus, zudem ist die Atmosphäre ein äußerst träges System. Die Stratosphäre merkt nicht sofort, wenn der Mensch weniger Schadstoffe in die Troposphäre abgibt.

Die zweite Periode begann 1997 und dauert bis heute an. In einem guten Jahrzehnt ging die Größe des Ozonlochs um durchschnittlich 0,8 bis 1,4 Prozent zurück. „Das ist statistisch gesehen nicht viel mehr als ein Nullsummenspiel“, sagte Jo Urban von der schwedischen Chalmer-Universität. „Wir hoffen aber, in den nächsten Jahren mit längerfristiger Datenbasis auch einen deutlicheren Rückgang des Ozonlochs zu sehen.“

Erstmalig sind nun auch Daten für den Anteil von Halogenradikalen in der Stratosphäre verfügbar. François Hendrick vom belgischen Institut für Atmosphärenforschung hat Ergebnisse des Envisat-Instruments SCIAMACHY ausgewertet. Envisat startete 2002 und misst seitdem kontinuierlich die Konzentration von Brommonoxid in der Stratosphäre, einem sehr effektiven Katalysator für Ozonabbaureaktionen.

Hendrick stellte seine Ergebnisse im September auf einer Konferenz zur Atmosphäreforschung in Barcelona vor. „Wir konnten die Messdaten des Satelliten mit Bodenstationen in hohen und mittleren Breiten bestätigen. Wir haben eine verifizierte Brommonoxid-Trendkurve aufgezeichnen können. Das sind die ersten direkten Beweise dafür, dass die Ergebnisse des Montreal-Protokolls nun auch die obere Stratosphäre erreicht haben“, so der Forscher.

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Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: DLR.

Mittels des Instruments SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) an Bord von ENVISAT wurden über drei Jahre Daten gesammelt, aufbereitet und jetzt ausgewertet. Grundlegendes Ergebnis ist, dass über Europas Hauptballungszentrum von Amsterdam bis Frankfurt die höchste CO₂-Konzentration gemessen werden konnte.

Bei der Interpretation der Daten müssen mehrere Aspekte berücksichtigt werden:

• Eine erhöhte lokale Konzentration muss nicht unmittelbar mit lokalen Emissionen korrelieren. CO₂ weist eine hohe Verweildauer in der Atmosphäre auf und kann über weite Strecken transportiert werden. Um auch solche Effekte in die Interpretation mit einzubeziehen, bedarf es aber einer lückenlosen Langzeiterfassung der Daten, was bisher noch nicht möglich war.
• Insgesamt enthält die Atmosphäre schon eine große Menge an CO₂. Lokale Emissionen führen demgegenüber nur zu einer geringen Abweichung und lassen sich teilweise nur schwer aufspüren und statistisch belegen.
• Jahreszeitliche Schwankungen überlagern lokale Effekte.

In Bodennähe konnte seit Jahrzehnten ein Anstieg der CO₂-Konzentration festgestellt werden, überlagert durch große jahreszeitliche Schwankungen. Mit an der Universität Bremen entwickelten speziellen Auswerteverfahren konnten diese Ergebnisse auch mit den Daten des SCIAMACHY-Instruments bestätigt werden. Ziel war ursprünglich die globale Erfassung des CO₂-Gehalts. Durch die Messgenauigkeit des Instruments konnten aus den Daten jetzt aber auch lokale Muster ausgewertet werden.

SCIAMACHY ist bisher das einzige Instrument an Bord eines Satelliten, welches für solche Messungen verwendet wird. Es misst die von Atmosphäre und Oberfläche gestreute Sonneneinstrahlung. Aus den Daten kann auf die Konzentration unterschiedlichster Spurengase in der Atmosphäre geschlossen werden. Seit 2002 wird es an Bord ENVISATs betrieben. Noch bis weit nach 2010 soll der Satellit wichtige Umweltdaten liefern.

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Quelle. DLR.

Von den zehn wissenschaftlichen Instrumenten an Bord stammen zwei aus Deutschland: das Interferometer MIPAS (Michelson Interferometer for passive Atmospheric Spounding) und der Atmosphärensensor SCIAMACHY (Scanning Imaging Spectrometer for Atmospheric Chartography), der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in deutsch-niederländischer Kooperation beigesteuert wurde.

ENVISAT ist eine europäische Erfolgsgeschichte

In seinen ersten fünf Jahren hat der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Umweltsatellit ENVISAT rund 500 Terabyte an Daten gesammelt. Diese Datenmenge entspricht in etwa einem Turm aus DVDs in der Höhe des Kölner Doms. Die Daten werden zu über 50 verschiedenen Informations-Produkten verarbeitet. Messungen der drei atmosphärischen Sensoren sowie des Radar-Instruments werden dabei unter anderem im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Oberpfaffenhofen ausgewertet. Mehrere Tausend Forscher weltweit befassen sich mit den Daten des Umweltsatelliten. Bislang gab es zu ENVISAT über 1300 Forschungsvorhaben.

Atmosphären-„Spion“ SCIAMACHY überwacht die Atmosphäre

SCIAMACHY vergleicht direktes Sonnenlicht mit dem durch die Atmosphäre geschwächten Sonnenlicht. Die in der Luft enthaltenen Gase hinterlassen im Spektrum charakteristische „Fingerabdrücke“. Das erlaubt den Forschern, genaue Rückschlüsse auf die Konzentration von Luftschadstoffen zu ziehen. Neben Stickstoffdioxid konnten mit SCIAMACHY über ein Dutzend weiterer Spurengase der Erdatmosphäre global vermessen werden. Dies ermöglichte es deutschen Wissenschaftlern, die ersten weltweiten Karten der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan zu erstellen.

Rückgang von Luftschadstoffen in den USA nachgewiesen

Ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftsteam konnte kürzlich anhand von SCIAMACHY-Daten in einigen Bereichen der USA einen Rückgang des Luftschadstoffs Stickstoffdioxid um bis zu 35 Prozent im Vergleich zu 1999 nachweisen. Stickstoffdioxid reizt die Atemwege, verursacht Sommersmog und Sauren Regen. Hauptquelle sind Verbrennungsvorgänge, zum Beispiel in der Industrie und in Motoren. Grund für die Abnahme der Stickstoffdioxid-Konzentration sind neu installierte Abgas-Kontrollsysteme bei drei großen Kraftwerken. Die Untersuchung der Wissenschaftler zeigt, wie erfolgreich Maßnahmen zur Reinigung von Kraftwerk-Abgasen sein können. In Gebieten der USA, in denen die Luft vor allem durch den Straßenverkehr mit Stickoxiden belastet wird, konnten die Forscher hingegen keine Verbesserungen feststellen.

Regenwälder stoßen Treibhausgas Methan aus

Für eine weitere Überraschung sorgten Daten von SCIAMACHY, die eine ungewöhnlich hohe Konzentration von Methan über den tropischen Regenwäldern zeigten. Alle gängigen Modellrechnungen hatten wesentlich niedrigere Werte vorausgesagt. Methan ist zusammen mit Kohlendioxid eines der wichtigsten Treibhausgase. Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass sich die Regenwälder rein positiv auf den Anteil der Treibhausgase auswirken, da sie Kohlendioxid speichern. Ursache für die hohe Methankonzentration konnte nur ein bis dahin unbekannter biologischer Vorgang sein, bei dem das Gas durch Regenwaldpflanzen produziert wurde. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg entdeckten den unbekannten Prozess bei Labormessungen.

Auch für die Zukunft ist gesorgt

Im Programm „Lebender Planet“ der ESA sind bereits sechs weitere Wissenschaftssatelliten in Arbeit. Einige Instrumenten-Konzepte von ENVISAT sollen auch im Rahmen des GMES-Programms (Global Monitoring for Environment and Security) realisiert werden. GMES ist eine gemeinsame Initiative der Europäischen Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA für Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Grundlagen der Fernbeobachtung
Alle Beobachtungsinstrumente an Bord von ENVISAT kann man zunächst einmal als Empfänger beschreiben, die von der Erde ausgehende Strahlung verschiedener Wellenlängen registrieren. Sie nutzen den Umstand aus, dass alle Objekte und Prozesse auf der Erde – und natürlich auch in der Erdatmosphäre – elektromagnetische Strahlung mit verschiedensten Wellenlängen und Frequenzen aussenden, absorbieren oder reflektieren. Bei diesem Vorgang werden der elektromagnetischen Strahlung „Fingerabdrücke“ in Form von spektralen Absorptions- oder Emissionslinien aufgeprägt, die für jedes Objekt und jeden Prozess charakteristisch sind. Ein Beispiel: Die Blätter von Pflanzen absorbieren („schlucken“) das gesamte sichtbare Licht mit Ausnahme des von uns als „grün“ bezeichneten Anteils – weshalb wir ihre Farbe als „grün“ wahrnehmen. Aus dem Absorptionsspektrum eines pflanzlichen Blattes lässt sich sogar erkennen, ob die Pflanze an Trockenheit leidet, da sich dann dieses Spektrum geringfügig verändert. Eine genauere Beschreibung der so genannten Spektralanalyse, mit der die spektralen „Fingerabdrücke“ registriert werden können, finden Sie in unserem Artikel zu diesem Thema.
 
Die meisten Instrumente an Bord von ENVISAT analysieren sichtbares Licht sowie das so genannte „Nahe Infrarot“ (der sich am roten Ende des sichtbaren Lichts anschließende Wellenbereich) und Mikrowellen. Die Messung der infraroten Strahlung erlaubt zum Beispiel Aussagen über die Temperatur der Erdoberfläche sowie von verschiedenen Schichten der Atmosphäre.
 
Die Beobachtungsinstrumente lassen sich in aktive und passive Instrumente unterteilen. Während die passiven Instrumente einfach die von der Erdoberfläche bzw. Atmosphäre kommende Strahlung registrieren, senden aktive Instrumente Strahlungspulse aus und registrieren anschließend die dadurch ausgelösten Reflektionen. ENVISAT hat Instrumente beider Typen an Bord.
 
Instrumente zur Atmosphärenbeobachtung
Vier der wissenschaftlichen Beobachtungsinstrumente an Bord von ENVISAT sind ausschließlich oder teilweise für die Beobachtung von Zuständen und Prozessen in unserer Atmosphäre verantwortlich.
Da ist zum einen MERIS („Medium Resolution Imaging Spectrometer“), mit dessen Hilfe unter anderem Daten über die Wolkenbildung und die Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre gewonnen werden können. Auch das Ausmaß des von Wolken reflektierten Sonnenlichts im sichtbaren und infraroten Bereich des Wellenspektrums wird von MERIS bestimmt.
 
Das Instrument GOMOS („Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars“) nutzt das Licht von über dem Horizont aufgehenden Sternen, um durch Analyse des Lichtspektrums nach dem Durchgang durch die Erdatmosphäre Aussagen über den Gehalt von Ozon und Wasserdampf treffen zu können. Diese Messungen sind in Höhenschichten von 20 bis 200 km möglich und erlauben in Zusammenarbeit mit anderen ENVISAT-Instrumenten dreidimensionale Abbildungen der Ozonschicht.
 
Der „Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding“ (MIPAS) arbeitet im infraroten Spektralbereich und ist in der Lage, verschiedenste Spurengase zu erkennen und unterscheiden. Diese Fähigkeit ermöglicht es, sowohl die Verteilung und Konzentration von Industrieabgasen wie auch von Treibhausgasen zu ermitteln. Die Informationen über chemische und physikalische Prozesse in der Stratosphäre sind auch für Prognosen über die zukünftige Entwicklung der Ozonschicht von Bedeutung.
 
Das vierte und letzte Instrument, welches die Atmosphäre als Untersuchungsgegenstand zum Ziel hat, ist das größtenteils in Deutschland entwickelte und gebaute SCIAMACHY („Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography„). Dieser leistungsfähige Atmosphären-Sensor nimmt Messungen sowohl in einem bis zu 960 km breiten Streifen direkt unter ENVISAT wie auch in Richtung des Horizonts vor. Die annährend simultane Kombinationen dieser Beobachtungsmodi ermöglicht es, im Zeitverlauf ein dreidimensionales Bild der Atmosphäre zu erstellen. Dabei kann SCIAMACHY in Höhenschichten von bis zu 100 km verschiedenste chemische Moleküle, Aerosole und Wolken registrieren. Dadurch soll das Wissen über Austauschprozesse zwischen den verschiedenen Atmosphärenschichten erweitert werden wie auch neue Daten über die Dotierung der einzelnen Atmosphärenschichten mit Spurengasen gewonnen werden. Auch die Auswirkung natürlicher Ereignisse auf die Atmosphäre (wie Vulkanausbrüche oder Veränderungen der Sonnenaktivität) können mit Hilfe dieses Instruments studiert werden.

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