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21 juillet 2020 |
Oberflächen POLYSURFACES |
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Satelliten zur Überwachung der CO2-Emissionen
Cornelia Zogg
Städte 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. Die Schätzungen sind zudem unsicher, da oft keine genauen Zahlen verfügbar sind und vereinfachte Annahmen getroffen werden müssen – beispielsweise beim Thema Heizen.
| Das Ziel der EU und der ESA ist es, CO2-Emissionen in Echtzeit zu detektieren, um Treibhausgas-Emissionen künftig weltweit zuverlässig und zeitnah bestimmen zu können. Bild: unsplash |
Forscher arbeiten an verbesserter Emissionsbestimmung
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 EU zusammen mit der 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 mit Hilfe spektroskopischer Messungen globale Karten der atmosphärischen CO2-Konzentrationen erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wieviel 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.
Bei der Ausrüstung der Satelliten mit entsprechender Messtechnik vertraut die ESA auf die Expertise der Empa. «Wir konnten der ESA verschiedene Empfehlungen für die Ausstattung der Satelliten geben», bemerkt Gerrit Kuhlmann von der Empa-Abteilung «Air Pollution/Environmental Technology». 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 vom Menschen verursachten Emissionen zu trennen. 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», so Gerrit Kuhlmann. Ein zusätzliches NO2-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene CO2-Signale «herauszufiltern».
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Satellitenbilder aus den Simulationen der Empa-Forschenden: Das Bild links zeigt die Messungen des CO2–Instruments, das Bild rechts jene des NO2-Instruments des Satelliten. Deutlich sind die Emissionen der Stadt Berlin sowie mehrere Kohlekraftwerke zu erkennen. (Bilder: Empa)
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Die Empa simuliert Satellitenmessungen
Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Gerrit Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO2- und NO2-Konzentrationen für das Jahr 2015 mit einer zuvor noch nicht erreichten räumlichen Auflösung. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem schnellsten Hochleistungsrechner Europas durchgeführt, dem «Piz Daint» am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano. Dabei konnten sie zeigen, 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», bemerkt Gerrit Kuhlmann. 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.
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Literatur
Kuhlmann G., Broquet G., Marshall J., Clément V., Löscher A., Meijer Y., Brunner D.: Detectability of CO2 emission plumes of cities and power plants with the Copernicus Anthropogenic CO2 Monitoring (CO2M) mission. Atmos. Meas. Tech. 2019, doi: 10.5194/amt-12-6695-2019
Links
ESA Copernicus Seite:
https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Copernicu/Copernicus_High_Priority_Candidates
Video, das die geplante CO2M-Satellitenmission erklärt: https://vimeo.com/353788629 |
Empa – Materials Science and Technology
Dr. Gerrit Kuhlmann
Air Pollution/Environmental Technology
Ueberlandstrasse 129
8600 Dübendorf
Tél. 058 765 47 53
gerrit.kuhlmann@empa.ch
www.empa.ch
