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Neue Satelliten zur Emissionsüberwachung Kohlendioxid-Messung aus dem All

| Autor/ Redakteur: Cornelia Zogg* / Christian Lüttmann

Menschenverursachtes Kohlendioxid ist ein wesentlicher Faktor für den Klimawandel. Um die CO2-Emissionen zu senken, sind konsequente politische Maßnahmen nötig. Deren Erfolg ist jedoch schwer zu messen. Daher sollen bald neue Satelliten CO2-Werte mit wenig Zeitversatz und hoher Auflösung aufzeichnen und sogar natürliche von menschengemachten Emissionen unterscheiden.

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Der Screenshot aus einem Youtubevideo des Empa Channels zeigt eine Simulation der CO2-Messung durch die Copernicus Mission.
Der Screenshot aus einem Youtubevideo des Empa Channels zeigt eine Simulation der CO2-Messung durch die Copernicus Mission.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Großstädte sind regelrechte CO2-Schleudern, doch wie viel Emissionen tatsächlich ausgestoßen werden, ist zurzeit kaum verlässlich zu bestimmen. Aktuelle Schätzungen basieren auf Statistiken und Aktivitätsdaten aus Verkehr, Industrie, Heizungen und Energieerzeugung. Die Auswertung dieser Daten ist aufwändig, und die Resultate liegen erst mit großer Verzögerung vor. Oft sind keine genauen Zahlen verfügbar und es müssen vereinfachte Annahmen getroffen werden – beispielsweise beim Thema Heizen.

Das aktuelle Messnetz von Bodenstationen ist zwar hilfreich, um den Anstieg von CO2 in der Atmosphäre zu verfolgen; es ist aber im Moment nicht dicht genug, um verlässliche Aussagen über die Emissionen einzelner Länder oder gar einzelner Städte zu liefern.

Aus diesem Grund entwickelt die Europäische Union zusammen mit der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA ein System zur Überwachung der CO2-Emissionen. Eine wesentliche Komponente ist dabei die CO2M-Satellitenmission (Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring): Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mithilfe spektroskopischer Messungen globale Karten der atmosphärischen CO2-Konzentrationen erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wie viel CO2 von Industrieanlagen, Städten und Ländern emittiert wird. Diese Messungen würden die derzeitigen Unsicherheiten bei der Schätzung der CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verringern.

Wie man natürliches und menschenverursachtes CO2 unterscheidet

Die Schwierigkeit bei der Bestimmung von CO2-Emissionen ist es, anthropogene und biologische Signale zu unterscheiden. Die Atmung der Vegetation erzeugt starke Schwankungen in der Verteilung von CO2. Der Satellit muss daher in der Lage sein, diese von den vom Menschen verursachten Emissionen zu trennen.

Satellitenbilder aus den Simulationen der Empa-Forscher: Das Bild links zeigt die Messungen des CO2-Instruments, das Bild rechts des NO2-Instruments des Satelliten. Deutlich sind die Emissionen der Stadt Berlin sowie mehrere Kohlekraftwerke zu erkennen.
Satellitenbilder aus den Simulationen der Empa-Forscher: Das Bild links zeigt die Messungen des CO2-Instruments, das Bild rechts des NO2-Instruments des Satelliten. Deutlich sind die Emissionen der Stadt Berlin sowie mehrere Kohlekraftwerke zu erkennen.
(Bild: Empa)

Die Idee: Ein kombiniertes Messgerät, das CO2, aber auch zusätzlich Stickstoffdioxid (NO2) detektiert. Denn: „Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nicht nur CO2, sondern auch Stickoxide. Diese entstehen jedoch nicht bei der natürlichen ‚Atmung‘ der Biosphäre“, sagt Gerrit Kuhlmann von der Empa-Abteilung Air Pollution / Environmental Technology. Ein zusätzliches NO2-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene CO2-Signale sozusagen herauszufiltern.

Simulation verspricht hohe Auflösung

Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO2- und NO2-Konzentrationen für das Jahr 2015 mit einer zuvor noch nicht erreichten räumlichen Auflösung. Ein Pixel in der Aufnahme entspricht dabei einem Quadrat von zwei mal zwei Kilometern in der Realität. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem schnellsten Hochleistungsrechner Europas durchgeführt, dem Piz Daint am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano. Dabei demonstrierten sie, dass eine Kombination der Messungen von CO2 und NO2 bessere und verlässlichere Resultate liefert, als wenn nur ein CO2-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre.

Zurzeit ist noch unklar, wie viele Satelliten in den Orbit geschickt werden müssen, doch Kuhlmann empfiehlt mindestens drei. „Das Problem ist, dass der Himmel nur selten wolkenfrei ist“, sagt der Klimaforscher. Im Jahr 2015 war der Himmel über Europa im Durchschnitt an nur einem Tag pro Woche entsprechend frei von Wolken. Je mehr Satelliten regelmäßig Bilder aufnehmen, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, die Abgasfahnen einzelner Quellen wie Städten zu sehen und daraus die Emissionen bestimmen zu können. Die Empfehlung für den Einbau eines zusätzlichen NO2-Messinstruments wurde bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.

Das Video der Empa gibt einen Ausblick, wie die satellitengestützte CO2-Messung ab 2025 erfolgen könnte:

Originalpublikation: G Kuhlmann, G Broquet, J Marshall, V Clément, A Löscher, Y Meijer, D Brunner: Detectability of CO2 emission plumes of cities and power plants with the Copernicus Anthropogenic CO2 Monitoring (CO2M) mission, Atmos. Meas. Tech. Volume 12, issue 12, 2019; DOI: 10.5194/amt-12-6695-2019

* C. Zogg, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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