Treibhausgase und Fernerkundung

Treibhausgase sind diejenigen gasförmigen Bestandteile in der Atmosphäre, sowohl natürlichen wie anthropogenen Ursprungs, welche die Strahlung in denjenigen spezifischen Wellenlängen innerhalb des Spektrums der thermischen Infrarotstrahlung absorbieren und wieder ausstrahlen, die von der Erdoberfläche, der Atmosphäre selbst und den Wolken abgestrahlt wird. Diese Eigenschaft verursacht den Treibhauseffekt. Ohne diesen „Treibhauseffekt” wäre die Erde für die meisten Lebensformen ein karger, kalter und unbewohnbarer Planet.

Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Distickstoffmonoxid (N₂O), Methan (CH₄) und Ozon (O₃) sind die Haupttreibhausgase in der Erdatmosphäre. Außerdem gibt es eine Anzahl von ausschließlich vom Menschen produzierten Treibhausgasen in der Atmosphäre, wie die Halogenkohlenwasserstoffe und andere chlor- und bromhaltige Substanzen, die im Montreal-Protokoll behandelt werden. Neben CO₂, N₂O, und CH₄ befasst sich das Kyoto-Protokoll mit den Treibhausgasen Schwefelhexafluorid (SF₆), teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) und perfluorierten Kohlenwasserstoffen (PFC).

Seit Beginn der industriellen Revolution Mitte des 18. Jahrhunderts haben die menschlichen Aktivitäten die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöht. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde ist seit dem späten 19. Jahrhundert um etwa 1,18 Grad Celsius gestiegen, und seit 2005 wurden zehn der wärmsten Jahre seit Beginn der Aufzeichnungen beobachtet.

Luft-, satelliten- und bodengestützte Instrumente messen die Zusammensetzung der Treibhausgase in der Atmosphäre und geben Aufschluss darüber, wie sich ihre Zusammensetzung im Laufe der Zeit verändert.

Es lassen sich drei große Satellitentypen unterscheiden:

• Globale Treibhausgas-Kartierer: Diese Missionen werden in der Regel von nationalen Weltraumagenturen durchgeführt und sind die wichtigsten Informationsquellen für die Verfolgung von Treibhausgasemissionen und -abbau aus natürlichen und anthropogenen Quellen und Senken auf räumlichen Skalen, die von großen städtischen Gebieten bis hin zu ganzen Nationen reichen. Diese Sensoren verfügen in der Regel nicht über die räumliche Auflösung, um Emissionen einzelner Anlagen zuzuordnen, sind jedoch die einzigen Sensoren, die über die erforderliche Präzision und Genauigkeit verfügen, um die Flüsse diffuser CO₂-Quellen aus der Biosphäre und den Ozeanen sowie von Methan aus natürlichen Feuchtgebieten und landwirtschaftlichen Flächen zu verfolgen. Die Daten der globalen Treibhausgas-Kartierungssysteme werden für die Erstellung nationaler Inventare und zur Bewertung der Vollständigkeit und Genauigkeit der Berichterstattung der Länder an die UNFCCC (Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen) verwendet.
• Plume-Monitore auf Anlagenebene: Eine Vielzahl von öffentlichen, kommerziellen und NGO-Gruppen betreiben oder planen Missionen (oftmals Kleinsatelliten) in dieser Kategorie, von denen viele darauf abzielen, der fossilen Brennstoffindustrie dabei zu helfen, die Emissionen aus ihren Betrieben zu reduzieren, insbesondere bei der CH₄-Gewinnung und dem Transport. Viele der relevanten Sensoren sind multifunktionale Hyperspektralbildgeber, die intensive CO₂- und CH₄-Plumes verfolgen können. Sensoren dieser Kategorie müssen eine räumliche Auflösung von 1 km² oder besser haben, benötigen jedoch nicht die Präzision, Genauigkeit oder Abdeckung der Global GHG Mappers.
• Operative Sondengeräte: Sondengeräte werden seit Jahrzehnten zur Unterstützung der operativen Wettervorhersage eingesetzt. Eine Reihe von Sondengeräten kann CH₄ (mit einer Genauigkeit von etwa 20 ppb) und/oder CO₂ (mit einer Genauigkeit von etwa 2–5 ppm) in der oberen Troposphäre oder darüber messen. Diese Messungen sind nützlich für die Überwachung des Transports von Treibhausgasen in die obere Troposphäre und ihrer Auswirkungen auf das Klima, liefern jedoch im Allgemeinen nur wenige Erkenntnisse über Oberflächenquellen und -senken von CO₂ und CH₄.

Global GHG Mapper-Missionen sind die wichtigsten Informationsquellen für die Verfolgung von Emissionen und Abbau von Treibhausgasen aus natürlichen und anthropogenen Quellen und Senken auf räumlichen Skalen, die von großen städtischen Gebieten bis hin zu ganzen Nationen reichen. Diese Sensoren verfügen in der Regel nicht über die räumliche Auflösung, um Emissionen einzelner Anlagen zuzuordnen, sind jedoch die einzigen Sensoren, die über die erforderliche Präzision und Genauigkeit verfügen, um die Flüsse diffuser CO2-Quellen aus der Biosphäre und den Ozeanen sowie von Methan aus natürlichen Feuchtgebieten und landwirtschaftlichen Flächen zu verfolgen. Die Daten der globalen Treibhausgas-Kartierungssysteme werden für die Erstellung nationaler Inventare und zur Bewertung der Vollständigkeit und Genauigkeit der Berichterstattung der Länder an die UNFCCC verwendet. Die folgende Grafik enthält Zeitpläne für Treibhausgas-Missionen.

Global Greenhouse Gas Mappers CO2 & CH4 Quelle: eohandbook

Generell werden fernerkundete Treibhausgasdaten in Atmosphärenmodellen verwendet, um die Quellen und Senken dieser Gase zu schätzen. Diese Daten ermöglichen es den Forschern, einen Top-Down-Ansatz für Emissionsinventare anzuwenden, im Gegensatz zu einem Bottom-Up-Ansatz, bei dem ein Inventar der Emissionen aus verschiedenen Quellen erstellt wird. Satelliten- und flugzeuggestützte Fernerkundungssensoren können ein größeres Gebiet abdecken als In-situ-Sensoren und haben das Potenzial, Quellen und Hotspots von Treibhausgasemissionen wie Methanlecks oder die Auswirkungen von Dürren und Hitzewellen aufzudecken, die beim Bottom-up-Ansatz der Buchführung nicht bekannt sind.

Relevante Satellitenmissionen

Anmerkungen:
* Diese Missionen, die in der Regel von CEOS-Weltraumagenturen durchgeführt werden, sind die wichtigsten Informationsquellen für die Verfolgung von Emissionen und Abbau von Treibhausgasen aus natürlichen und anthropogenen Quellen und Senken auf räumlichen Skalen, die von großen städtischen Gebieten bis hin zu ganzen Nationen reichen. Diese Sensoren verfügen in der Regel nicht über die räumliche Auflösung, um Emissionen einzelner Anlagen zuzuordnen, sind jedoch die einzigen Sensoren, die über die erforderliche Präzision und Genauigkeit verfügen, um die Flüsse diffuser CO2-Quellen aus der Biosphäre und den Ozeanen sowie von Methan aus natürlichen Feuchtgebieten und landwirtschaftlichen Flächen zu verfolgen. Die Daten der globalen Treibhausgas-Kartierungssysteme werden für die Erstellung nationaler Inventare und zur Bewertung der Vollständigkeit und Genauigkeit der Berichterstattung der Länder an die UNFCCC verwendet.

** Eine Vielzahl von öffentlichen, kommerziellen und NGO-Gruppen betreiben oder planen Missionen (oftmals Kleinsatelliten) in dieser Kategorie, wobei viele davon darauf abzielen, der fossilen Brennstoffindustrie dabei zu helfen, die Emissionen aus ihren Betrieben zu reduzieren, insbesondere bei der CH4-Gewinnung und dem Transport. Viele der relevanten Sensoren sind multifunktionale Hyperspektralbildgeber, die intensive CO2- und CH4-Wolken verfolgen können. Sensoren dieser Kategorie müssen eine räumliche Auflösung von 1 km² oder besser haben, benötigen jedoch nicht die Präzision, Genauigkeit oder Abdeckung der Global GHG Mappers.

*** Seit Jahrzehnten werden Sounder-Instrumente zur Unterstützung der operativen Wettervorhersage eingesetzt. Mehrere Sounder-Instrumente sind in der Lage, CH4 (mit einer Genauigkeit von etwa 20 ppb) und/oder CO2 (mit einer Genauigkeit von etwa 2-5 ppm) in der oberen Troposphäre oder darüber zu messen. Diese Messungen sind nützlich für die Überwachung des Transports von Treibhausgasen in die obere Troposphäre und ihrer Auswirkungen auf das Klima, liefern jedoch im Allgemeinen nur wenige Erkenntnisse über Oberflächenquellen und -senken von CO2 und CH4.

Wege zu den Daten

Greenhouse Gases Data Pathfinder der NASA

Dieser Datenwegweiser konzentriert sich auf satelliten- und flugzeuggestützte Messungen von Treibhausgasen, obwohl auch einige bemerkenswerte bodengestützte Messungen von Kohlendioxid enthalten sind. Einige Satellitendatensätze sind nahezu in Echtzeit (in der Regel innerhalb von drei Stunden nach einer Satellitenbeobachtung) über die Land, Atmosphere Near real-time Capability for EOS (LANCE) der NASA verfügbar und liefern wertvolle Informationen über die Quellen der klimawärmenden Gase.

Die unten aufgeführten Datensätze können über die Earthdata-Suche heruntergeladen werden. Im Abschnitt Tools for Data Access and Visualization gibt es Informationen, wie man Earthdata Search und andere Tools nutzen kann.

Die NASA arbeitet mit anderen Bundesbehörden und internationalen Weltraumorganisationen, einschließlich der NOAA und der Europäischen Weltraumagentur (ESA), zusammen, um Treibhausgasdaten zu sammeln und zu verbreiten. Die Datensätze, auf die in diesem Pathfinder Bezug genommen wird, stammen von satelliten-, flugzeug- und bodengestützten Sensoren, die in den folgenden Tabellen aufgeführt sind. Die erste Tabelle enthält Datensätze von Satelliteninstrumenten mit ihren räumlichen und zeitlichen Auflösungen. Beachten Sie, dass viele Satelliten/Plattformen mit mehreren Sensoren ausgestattet sind; in der nachstehenden Tabelle ist nur der primäre Sensor aufgeführt, der bei der Erfassung der angegebenen Messung verwendet wurde. Die zweite Tabelle enthält luft- und bodengestützte Messungen mit ihrer räumlichen und zeitlichen Abdeckung.

Hinweis: Dies ist keine erschöpfende Liste von Datensätzen, sondern enthält nur Datensätze aus dem Earth Observing System Data and Information System (EOSDIS) der NASA.

Die NASA führt flugzeug- und bodengestützte Kampagnen durch, um zeitlich und räumlich hochauflösende Messungen komplexer lokaler Prozesse zu erhalten, die mit globalen Satellitenbeobachtungen gekoppelt werden können, um ein besseres Verständnis der Erdsystemprozesse zu erlangen. Die in diesem Pathfinder enthaltenen luft- und bodengestützten Messungen sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS)

Der europäische Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) stützt sich auf Beobachtungen, um seine Atmosphärenmodelle zu speisen und zu validieren. Satellitengestützte Beobachtungen bilden das Rückgrat des Dienstes, aber CAMS stützt sich auch auf In-situ-Daten, die von allen Instrumenten gesammelt werden, die nicht an Bord eines Satelliten sind.

Satelliten- und In-situ-Beobachtungen ergänzen sich. Satelliten messen Kohlen(stoff)dioxid und Methan in der gesamten Tiefe der Atmosphäre und decken den gesamten Globus ab; allerdings sind ihre Daten derzeit weniger genau als In-situ-Messungen. In-situ-Instrumente erfassen die unteren Bereiche der Atmosphäre mit hoher Genauigkeit, befinden sich aber meist in leicht zugänglichen Teilen der Erde. Darüber hinaus verfügen weiter entwickelte Länder in der Regel über eine bessere In-situ-Abdeckung.

Satelliten eignen sich hervorragend zur Überwachung von Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre. Die von verschiedenen Satelliten seit 2003 gesammelten Daten sind in den nachstehenden Diagrammen (C3S/CCI/CAMS/Univ.Bremen/SRON) dargestellt, die auf Satellitenprodukten von CAMS und dem Copernicus Climate Change Service (C3S) basieren. Der größte Teil der Satellitendaten wird von C3S als Teil seines Portfolios an Essentiellen Klimavariablen (ECV) bereitgestellt. CAMS fügt dann die neuesten Satellitendaten hinzu, um die Zeitreihe zu vervollständigen.

Die Werte schwanken im Laufe von Tagen, Jahreszeiten und Jahren. Auf lokaler Ebene ist nachts mehr Kohlendioxid vorhanden als tagsüber, und auf kontinentaler Ebene gibt es im Winter mehr als im Sommer. Das liegt daran, dass die Pflanzen tagsüber und im Frühjahr und Sommer durch die Photosynthese mehr Kohlendioxid aufnehmen als sie durch die Atmung abgeben; nachts und im Herbst und Winter reduzieren die Pflanzen die Photosynthese oder stellen sie sogar ganz ein, während sie weiterhin Kohlendioxid durch die Atmung abgeben. Die "Sägezahn"-Form der Diagramme zeigt, wie sich der Kohlendioxidgehalt im Laufe eines jeden Jahres verändert. Neben den meist natürlichen Schwankungen ist auch ein deutlicher Aufwärtstrend des Kohlendioxidgehalts zu beobachten, der auf die anhaltenden anthropogenen Emissionen zurückzuführen ist.

Access: Carbon dioxide data from 2002 to present derived from satellite observations

Access: Methane data from 2002 to present derived from satellite observations

Wie Kohlendioxid schwankt auch der Methangehalt in Raum und Zeit. Die Methanwerte waren zwischen 2003 und 2006 nahezu konstant, sind aber seit 2007 mit einer Rate von etwa acht Teilen pro Milliarde pro Jahr gestiegen. Die Gründe für diesen beobachteten Trend sind noch nicht klar, aber er könnte auf Veränderungen bei den Prozessen zurückzuführen sein, die Methan in die Atmosphäre einbringen und aus ihr entfernen. Der beobachtete saisonale Zyklus, der über der nördlichen Hemisphäre besonders deutlich ist, wird durch eine Kombination aus saisonalen Schwankungen bei einigen CH₄-Quellen und der chemischen Senke in der Atmosphäre verursacht.

In-situ-Beobachtungen sind auch für die Verbesserung der Genauigkeit und der langfristigen Konsistenz der CAMS-Schätzungen von entscheidender Bedeutung, da sie hochgenaue Daten in der Nähe der Quellen und Senken an der Schnittstelle zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre liefern. CAMS stützt sich auf eine Reihe von europäischen und internationalen Infrastrukturen für seine In-situ-Daten. Das Integrated Carbon Observation System (ICOS) beispielsweise ist eine paneuropäische Forschungsinfrastruktur mit über 100 Stationen zur Messung der atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen und ihrer Flüsse. Zusammen mit anderen In-situ-Netzen sind die ICOS-Daten ein wesentlicher Beitrag zur CAMS-Überwachung von Kohlendioxid und Methan. Auf globaler Ebene arbeitet CAMS insbesondere mit der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) im Rahmen ihres Programms Global Atmospheric Watch (GAW) zusammen.

Weitere Informationen:

• Greenhouse Gases Data Pathfinder (NASA EarthData)
• Observation of greenhouse gases (Copernicus)
• Greenhouse Gas Satellite Missions Portal (CEOS 2026)
• Greenhouse Gases (eoPortal)