Methan

Methan (CH₄) ist eines der bedeutendsten Klimagase, das sowohl aus natürlichen als auch aus anthropogenen Quellen (z.B. Reisfeldern, Mülldeponien oder Erdgasgewinnung und -transport) stammt. Das Gas entsteht in der Regel bei Fäulnisprozessen unter anaeroben Bedingungen (d.h. unter Luftabschluss) mit Beteiligung von Mikroorganismen.

1990 hatten die Methan-Emissionen einen Anteil von 9,7 % an den gesamten Treibhausgas-Emissionen in Kohlendioxid-Äquivalenten. Seit etwa 2010 liegt der Anteil von Methan stabil zwischen 6,1 und 6,3 %. Laut des Berichts „State of the Global Climate“ der WMO von 2020 beträgt die derzeitige Methan-Konzentration 260% des vorindustriellen Niveaus vor 1750.

Wichtige natürliche Quellen von Methan sind Sümpfe, Permafrostgebiete (dort zu einem großen Teil Seen), Termiten und Wälder. Wesentliche anthropogene Quellen sind die Rinderhaltung, daneben entstehen Emissionen, wenn Brennstoffe (Steinkohlenbergbau, Erdgas) gewonnen, gefördert und verteilt werden. Eine weitere wichtige Quelle ist die Methanbildung auf Abfalldeponien. Auch sind die Emissionen aus Permafrostgebieten zumindest teilweise den anthropogenen Ursachen zuzurechnen, da sich mit dem zunehmenden Klimawandel die Emissionen in arktischen Gebieten erhöhen.

Die beiden wichtigsten anthropogenen Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) tragen zusammen zu etwa 81% zum anthropogenen Strahlungsantrieb bei (IPCC 2013). Es gibt aber nach wie vor große Wissenslücken bei den genauen Prozessen – den natürlichen als auch bei den hinzukommenden anthropogenen – also bei Stärke und Verteilung von Quellen und Senken sowie bei den Kohlenstoffflüssen. Die Entschlüsselung dieser Prozesse erfordert eine hohe Anzahl von sehr genauen Messungen auf verschiedenen räumlichen Skalen. Diese stehen bisher nur sehr eingeschränkt zur Verfügung.

Globales Methanbudget für das Jahrzehnt 2008-2017 Der CH4-Haushalt wird in 14 Regionen für 5 Kategorien von Quellen nach den Methoden "top down (TD)" und "bottom up (BU)" geschätzt. Die BU-Methode verwendet verschiedene Datenbestände, beobachtungsgesteuerte Methoden und prozessbasierte Modelle (z.B. Energiestatistik, landwirtschaftliche Daten, biogeochemische Modellierung). Die TD-Methode kombiniert auf bestmögliche Weise Messungen von atmosphärischem CH4 an >100 Stationen weltweit mit einer ersten Schätzung der CH4-Emissionen in einem atmosphärischen Inversionsrahmen. Sowohl Bottom-up- (links) als auch Top-down-Schätzungen (rechts) (Tg CH4 yr-1) werden für jede Emissions- und Senken-Kategorie sowie für die Gesamtemissionen und Gesamtsenken angegeben. Die Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse und Biokraftstoffen werden hier sowohl als natürliche als auch als anthropogene Emissionen dargestellt. Quelle: Global Carbon Atlas

Fernerkundung von Methan

Die aktive Fernerkundung der Spurengase CO₂ und CH₄ in der Atmosphäre mittels Lidar bietet die Möglichkeit, die Konzentrationen der Gase auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu bestimmen. Insbesondere der Einsatz solcher Systeme auf Satelliten erlaubt eine globale Messabdeckung bei gleichzeitig hoher Wiederholrate. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Französische Raumfahrtagentur CNES arbeiten derzeit an der gemeinsamen Mission MERLIN, einem Satelliten-getragenen Lidar zur Messung von Methan-Konzentrationen in der Atmosphäre.

Die bisher zur Methanbeobachtung eingesetzten Instrumente SCIAMACHY auf dem inzwischen inaktiven europäischen Umweltsatelliten ENVISAT und die japanischen Satelliten GOSAT und GOSAT-2 arbeiten mit so genannten passiven Instrumenten. Das heißt, sie nutzen das vom Erdboden zurück gestreute Sonnenlicht, um den Spurengasgehalt (beispielsweise CO₂) in der Atmosphäre zu messen. Sie sind somit auf Tageslicht angewiesen und liefern nur bei klarem Himmel optimale Messwerte.

Bis zum Start des ersten speziellen Beobachtungsmission GOSAT im Januar 2009 wurden Informationen über die Verteilung von CO₂ und anderen Treibhausgasen wie Methan in der Atmosphäre über mehrere Jahre hinweg aus thermischen Infrarot-Soundern gewonnen. Dies sind z.B. der Atmospheric Infrared Sounder (AIRS), der im Mai 2002 an Bord des Aqua-Satelliten gestartet wurde, oder das Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), das im Oktober 2006 an Bord der europäischen MetOp-Plattform gestartet wurde.

Aktuell misst das an Bord des ESA-Satelliten Sentinel-5P befindliche Spektrometer Tropomi neben anderen Stoffen die Methankonzentration in der Troposphäre. Künftig werden auch die Missionen Sentinel-5, CO2M Aufgaben zur Messung troposphärischen Methans übernehmen.

Weitere Informationen:

• Bestimmung von Methan-Emissionen in Zeiten von COVID-19 (ESA 2020)
• Meet the Satellites That Can Pinpoint Methane and Carbon Dioxide Leaks (Scientific American)
• MERLIN - Die deutsch-französische Klimamission (DLR)
• Methane emissions detected over offshore platform in the Gulf of Mexico (ESA 2022)
• Methane levels surged in 2020 despite lockdowns (ESA 2022)