Wie Forscher nach Kohlenstoff fahnden

Forscher fahnden nach dem Kohlenstoff

Für Klimaprognosen und effektive Klimaschutzmaßnahmen ist es wichtig zu wissen, wo wie viel CO2 freigesetzt wird beziehungsweise „verschwindet“. Das Team um Julia Marshall, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena errechnet daher den aktuellen räumlichen und zeitlichen CO2-Austausch zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre: die CO2-Flüsse. Diese variieren von Jahr zu Jahr, von Region zu Region und von Sommer zu Winter. Die Schwankungen kommen dadurch zustande, dass die natürlichen Prozesse des Kohlenstoff-Austauschs, wie etwa die Fotosynthese, der Abbau organischer Stoffe im Erdreich oder die Lösung und Umsetzung von CO2 im Meerwasser von der Temperatur und vielen anderen Umweltfaktoren beeinflusst werden.

Um herauszufinden, wie sich die verschiedenen Faktoren auswirken, simulieren die Forscher die tatsächlichen Vorgänge mithilfe von hochkomplexen Rechenmodellen. Diese berücksichtigen sowohl die Vorkenntnisse über die Prozesse als auch ihre Unsicherheiten. Als Grundlage für die Berechnungen dienen Freilanddaten aus zwei unterschiedlichen Quellen: Bodenbasierte Messstationen sind in der Lage, die Konzentrationen von Spurengasen wie CO2 direkt aufzuzeichnen (Abb.C). Sie werden von mehreren internationalen Institutionen betrieben, darunter auch die Max-Planck-Institute für Biogeochemie und Chemie. Problematisch ist, dass die Stationen ungleichmäßig über den Erdball verteilt sind und aus klimatisch wichtigen Regionen wie den Tropen oder Sibirien nur wenige Daten liefern.

<p>Abb. C: Klimaforschung in luftiger Höhe</p>
<p>Einige der bodenbasierten Messstationen befinden sich auf hohen Türmen, so wie hier ZOTTO (<em>Zotino Tall Tower Observator</em><em>y</em>) in der Sibirischen Taiga. Mit 304 Metern ist seine Stahlkonstruktion fast so hoch wie der Eiffelturm. Die Präzisionsinstrumente zur Messung von Kohlendioxid, Methan und anderen Treibhausgasen erreichen damit Luftschichten, die frei sind von lokalen Einflüssen. Dies erlaubt Rückschlüsse auf Klimaprozesse viel größerer Regionen. ZOTTO ist seit 2006 in Betrieb und wird von der Max-Planck-Gemeinschaft gemeinsam mit russischen Partnern betrieben.</p> Bild vergrößern

Abb. C: Klimaforschung in luftiger Höhe

Einige der bodenbasierten Messstationen befinden sich auf hohen Türmen, so wie hier ZOTTO (Zotino Tall Tower Observatory) in der Sibirischen Taiga. Mit 304 Metern ist seine Stahlkonstruktion fast so hoch wie der Eiffelturm. Die Präzisionsinstrumente zur Messung von Kohlendioxid, Methan und anderen Treibhausgasen erreichen damit Luftschichten, die frei sind von lokalen Einflüssen. Dies erlaubt Rückschlüsse auf Klimaprozesse viel größerer Regionen. ZOTTO ist seit 2006 in Betrieb und wird von der Max-Planck-Gemeinschaft gemeinsam mit russischen Partnern betrieben.

Eine viel bessere Datenabdeckung liefern Satelliten-Sensoren. Das Messprinzip beruht auf der Eigenschaft des Kohlendioxids, reflektiertes Sonnenlicht bei bestimmten Wellenlängen zu absorbieren. Die Sensoren können somit den gesamten Anteil an CO2-Molekülen in der Luftsäule zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche bestimmen. Teilt man diesen CO2-Anteil durch die Menge aller Luftmoleküle in der Säule, erhält man die säulenintegrierte Konzentration von Kohlendioxid, XCO2.

Der erste Satellitensensor, der Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan nahe der Erdoberfläche mit hoher Empfindlichkeit messen konnte, war SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY). Er war von 2002 bis 2012 auf dem europäischen Umweltsatelliten ENVISAT in Betrieb. Seine Messungen führten zu einem neuen Verständnis der Methan-Quellen, wiesen aber systematische Fehler und Unsicherheiten der XCO2-Messungen auf. Das erschwerte die Datenanalyse, zumal damals unabhängige Messungen zur Validierung fehlten. Seit 2009 registriert der japanische Satellit GOSAT (Greenhouse Gases Observing Satellite) XCO2 und XCH4 (Methan) mit deutlich geringerer Messunsicherheit; zusätzlich misst seit 2014 der NASA-Satellit OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory 2) XCO2 mit einer noch größeren räumlichen Auflösung. Ein Nachteil der Satellitensensoren ist, dass Wolken und Dunkelheit die Messperiode über das ganze Jahr hinweg begrenzen, mit deutlich weniger Messungen im Winter in den höheren Breitengraden.

Mit beiden Messmethoden haben die Max-Planck-Forscher bereits eine Fülle von Daten generiert. Deren Interpretation ist allerdings alles andere als einfach: Vergleicht man nämlich die satellitenbasierten Schätzungen der CO2-Flüsse (GOSAT-Flüsse) mit denjenigen, die auf Daten des Bodenmessnetzes beruhen (Messnetzflüsse), ergeben sich signifikante Unterschiede. „Die GOSAT-Flüsse weisen im Gegensatz zu den Messnetzflüssen darauf hin, dass die Tropen eine große CO2-Quelle für die Atmosphäre darstellen. Demgegenüber nehmen die nördlichen mittleren Breiten deutlich mehr CO2 aus der Atmosphäre auf“, erklärt Julia Marshall.

Klimadetektive auf Fehlersuche

Wie kommen diese Unterschiede zustande? Interessanterweise nähern sich die boden- und satellitenbasierten Flussabschätzungen einander an, wenn nur Satellitenmessungen innerhalb eines bestimmten Abstands einer Bodenmessstation in die Berechnungen einfließen. Die Diskrepanzen beruhen also offenbar auf der unterschiedlichen räumlichen Datenabdeckung. Experimentelle Berechnungen bestätigen dies. Sie ergaben, dass die spärlich verteilten Bodenmessstationen die tatsächliche räumliche Verteilung der CO2-Flüsse nicht wiedergeben können. Das spricht für die Verlässlichkeit der GOSAT-Messungen.

Derzeit sammeln die Forscher unabhängige Referenzmessungen, um die GOSAT-Flüsse zu validieren. Die Daten stammen aus Fernerkundung und von Flugzeugmissionen, darunter das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft), an dem die Max-Planck-Institute für Biogeochemie, Chemie und Meteorologie beteiligt sind. Doch auch hier gilt es, die Ergebnisse auf mögliche Fehlerquellen abzuklopfen. Da sich Fernerkundungsdaten per Satellit ausschließlich unter wolkenfreien Bedingungen gewinnen lassen, prüfen die Wissenschaftler, ob dies womöglich zu einer Verzerrung der berechneten CO2-Flüsse führt: „Wenn die Sonne scheint, nehmen die Pflanzen in unseren Breiten über die Fotosynthese mehr CO2 auf als bei bedecktem Himmel. In den Tropen ist es oft umgekehrt“, sagt Julia Marshall. Mit aufwändigen Simulationen testen die Wissenschaftler, wie sich dies auf die Berechnungen auswirkt. Die Jenaer Forscher unterstützen auch die Entwicklung neuer Satellitenmissionen, etwa die deutsch-französische Mission MERLIN (Methane  Remote Sensing LIDAR Mission), die 2021 starten und das Methan in der Atmosphäre überwachen soll. Ab dem Jahr 2025 ist im Rahmen des Copernicus-Erdbeobachtungsprogramms der Start mehrerer ESA-Satelliten geplant, die das atmosphärische CO2 noch kleinräumiger erfassen. So wollen Klimaforscher in Zukunft etwa anthropogene CO2-Quellen gezielt aufspüren.

Zur Redakteursansicht
loading content