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Identifizierung von menschengemachten & natürlichen CO2-Emissionen zentral für Klimawandelkontrolle

Identifizierung von menschengemachten & natürlichen CO2-Emissionen zentral für Klimawandelkontrolle
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Im Rahmen des Übereinkommens von Paris haben sich 195 Länder dazu verpflichtet, ihre Treibhausgasemissionen zu reduzieren, um den globalen Temperaturanstieg auf 2 °C im Vergleich zu vorindustriellen Temperaturen zu begrenzen. Die Messung des infolge von menschlichen Aktivitäten ausgestoßenen Kohlenstoffdioxids – das die größte Ursache für die Klimaerwärmung ist – ist unerlässlich, wenn wir herausfinden wollen, ob wir auf einem guten Weg sind, den Klimawandel aufzuhalten. Doch das Gas mit seinen zahlreichen Quellen, Senken und Kreisläufen stellt immer noch eine Herausforderung für Forschung und Politik dar.

Wie Menschen natürliche Kohlenstoffkreisläufe beeinflussen

Der Ausstoß von CO2 durch menschliche Aktivitäten hat sich stark vergrößert, sodass sich mittlerweile eine außergewöhnlich hohe Menge an CO2 in der Atmosphäre befindet. Die Hauptgründe dafür sind die Verbrennung fossiler Rohstoffe, Zementproduktion und veränderte Landnutzung. Petteri Taalas, Generalsekretär der Weltwetterorganisation (WMO), sagte dazu: „Wir müssen in Betracht ziehen, dass die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zuletzt vor 3-5 Millionen Jahren so hoch war. Damals war es 2-3 Grad wärmer auf der Erde und der Meeresspiegel lag 10-20 Meter höher.“

Meere und Vegetation nehmen einen Großteil des CO2 auf. Der Rest sammelt sich in der Atmosphäre, da natürliche Kohlenstoffsenken nicht in der Lage sind, die Menge der ausgestoßenen Emissionen auszugleichen, und die Reduktionsbemühungen weltweit nur langsam anlaufen.

Ein erstes Urteil darüber, wie nah die Länder ihren Klimazielen sind, wird 2023 gefällt. Um herauszufinden, wie groß der Anteil des von menschlichen Aktivitäten verursachten CO2 ist und wohin es fließt, braucht es eine effektive Klimapolitik. „Es ist eine schwierige und immer schwieriger werdende Aufgabe“, so Dr. Greet Janssens-Maenhout, Vorsitzende der Taskforce zur Überwachung von CO2-Emissionen der EU-Kommission. „195 Länder müssen auf derselben Methodologie beruhende Berichte zu ihren Emissionen abgeben. Aktuell haben nicht alle Länder die gleichen Ressourcen.“

Momentan bestimmen Länder ihre Emissionsmenge, indem sie ihre Verbrennung fossiler Rohstoffe betrachten. Doch nicht alle Länder haben dieselben Grundlagen. „Nur Industrieländer haben die Möglichkeiten, aktuell akkurate, transparente, vollständige, kohärente und vergleichbare Treibhausgasberichte zu erstellen. Aber laut dem Transparenzrahmen des Übereinkommens von Paris müssen auch Entwicklungsländer alle zwei Jahre einen solchen Bericht abliefern“, erklärt Lucia Perugini, Projektmanagerin am Euromediterranen Zentrum für Klimawandel (CMCC). „Vielen Entwicklungsländern fehlen die Daten zur Berechnung der Treibhausgasemissionen – darüber, welche menschlichen Aktivitäten wie stark, wann und wo stattfinden und wie viele Emissionen sie verursachen.“

Neue wissenschaftliche Werkzeuge sollen die Kohlenstoffnachverfolgung genauer machen

Bei diesem Problem wird der CO2-Überwachungsservice, der 2026 in Betrieb gehen soll, eine wichtige Rolle spielen. Die Atmosphere Monitoring und Climate Chance Services des EU-Programms Copernicus und andere europäische Institutionen wie das EZMW, die ESA und EUMETSAT entwickeln neue Möglichkeiten, um die CO2-Emissionen sowohl von der Erde aus als auch aus dem Weltall überwachen zu können. „Der Service soll zeitgenauere Schätzungen mit größerer räumlicher und zeitlicher Auflösung bieten als die aktuell verfügbaren, auf Bestandsaufnahmen basierenden Methoden“, sagt Dr. Richard Engelen, stellvertretender Direktor des Copernicus Atmosphere Monitoring Service am Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW). Räumliche und zeitliche Auflösungen können zeigen, wie detailliert ein Bild ist und wie oft es aufgenommen wurde.

Mehrere Satelliten der Weltraumagenturen aus Europa, den USA, Japan und anderen Ländern und Organisationen messen zurzeit CO2-Konzentrationen und CO2-Aufnahme von Pflanzen und Phytoplankton. „Aber aktuell ist kein System in der Lage, zwischen CO2 aus menschlichen und natürlichen Quellen zu unterscheiden“, sagt Guido Levrini, Manager des Copernicus Space Segment Programme der ESA. Im Rahmen des neuen Services sollen sich 2025 drei neue Satelliten – Sentinels genannt – zu den aktuellen Erdbeobachtern gesellen und bei der genaueren Untersuchung der Quellen und Kreisläufe von CO2 helfen. „Das Identifizieren der Menge des von menschlichen Aktivitäten verursachten CO2 ist das Hauptziel des Copernicus CO2M Sentinels“, fügt Levrini hinzu.

Die drei identischen Sentinels werden gemeinsam alle drei Tage die CO2-Konzentration an jedem Ort auf dem Planeten messen. Ihre einzelnen Scans umfassen 200 km breite Streifen und die Bilder haben eine Auflösung von 2 x 2 km. „Die Kombination dieser hohen Auflösung und der breiten Streifen ist beeindruckend und einzigartig für einen zivilen Erdbeobachtungssatelliten“, so Dr. Janssens-Maenhout. Sie erklärt, dass es bereits Satelliten gibt, die bei einem der beiden Parameter gute Arbeit leisten. „Es ist eine große Herausforderung, Satelliten so schnell zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen. Gemessen an der von uns angestrebten Genauigkeit und der Sensitivität der Informationen ist die Zeit sehr knapp.“

Wenn allein das Messen der gesamten CO2-Konzentration vom All aus schon schwierig ist, so stellt das Ausmachen des von menschlichen Aktivitäten verursachten Anteils erst recht eine Herausforderung dar, so Levrini. Sobald sich das Gas in der Atmosphäre befindet, vermischt es sich schnell, weshalb es schwierig ist, menschliche von natürlichen Quellen zu unterscheiden. Die drei Satelliten sollen sich bei dieser anspruchsvollen Aufgabe gegenseitig unterstützen. „Die CO2-Überwachungsmission wird eine beispiellose weltweite Abdeckung haben. So etwas hat es noch nie gegeben“, sagt Dr. Engelen.

Internationale Zusammenarbeit im All und auf der Erde benötigt

Weltweit zeichnen zahlreiche Projekte wie NOAA ESRL, ICOS und WMO GAW die CO2-Konzentrationen an der Erdoberfläche auf. Diese Messungen sind für das zukünftige Überwachungsprogramm unerlässlich. Bodenstationen, Messtürme und Flugzeuge sammeln Lokal- und Fernerkundungsdaten über die Treibhausgaskonzentration. Laut eines Berichts der EU-Kommission variiert das CO2 in der unteren Atmosphäre stärker, sodass es besser durch Bodenmessungen erfasst werden kann – diese müssen allerdings oft eine große Fläche abdecken.

Lokale Beobachtungen können außerdem Satellitendaten validieren, Datenlücken aufgrund von schlechtem Wetter füllen und Fachleuten dabei helfen, Modelle zur CO2-Entwicklung zu erstellen. „Die Satelliten verfolgen CO2-Wolken“, erklärt Dr. Janssens-Maenhout. „Aber wir müssen natürliche Flüsse einkalkulieren, damit wir anthropogenes CO2 genau bestimmen können. Lokale Daten helfen uns dabei, natürliche Flüsse zu identifizieren. In Europa haben wir gute Schätzungen zu natürlichen Kohlenstoffemissionen, aber in tropischen Regionen machen Wolken und eine fehlende Mess-Infrastruktur das Ganze schwieriger.“

Die zukünftige Überwachung will auch Modelle zum Austausch von CO2 zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre sowie zum Transport von CO2 innerhalb der Atmosphäre durch Winde verbessern. „Forschende müssen natürliche Kohlenstoffkreisläufe zwischen Land/Meer und Atmosphäre besser abbilden“, sagt Engelen. „Das EZMW arbeitet mit zahlreichen Institutionen in ganz Europa an diesen Herausforderungen.“

Für das Verständnis von CO2-Emissionen müssen wir den menschlichen Einfluss auf den natürlichen Kohlenstoffkreislauf kennen

Darstellung der wichtigsten CO2-Quellen und -Senken für Europa. Quelle: Projekt VERIFY

Länder müssen nur Bericht über ihr Gesamt-Kohlenstoffbudget erstatten, aber das Wissen über die Herkunft des CO2 kann der nationalen und lokalen Gesetzgebung helfen, ihre Klimapolitik effektiver zu gestalten.

Die weltweit hohe räumliche und zeitliche Auflösung des Überwachungsprogramms wird auch dabei helfen, individuelle, von Kraftwerken, Industrie und Städten verursachte Wolken zu identifizieren. Die Abbildung von Treibhausgasemissionen durch Landnutzung, Landnutzungsveränderungen und Forstwirtschaft, die Länder ebenfalls in Angriff nehmen könnten, ist eine größere Herausforderung. „Das ist der komplexeste Bereich der Abbildung von Treibhausgasen“, so Perugini. „Derzeit liegen keine verlässlichen Daten zu CO2-Aufnahme und -Emissionen dieses Sektors vor.“

In vielen Entwicklungsländern machen durch Landnutzung verursachte Emissionen einen Großteil ihres Kohlenstoffbudgets aus und stellen einen Anteil von etwa 10 % an den globalen CO2-Emissionen dar, erklärt Perugini. Große und unzugängliche Waldflächen, fehlende Daten über den Wald und mangelnde Infrastruktur für lokale Messungen machen aus der CO2-Überwachung eine schwierige Aufgabe. Doch Satellitenbilder können bei der Betrachtung abgeholzter Gebiete helfen – falls auch Daten von Messungen am Boden vorliegen.

„Es ist eine Herausforderung, aber wir hoffen, dass wir durch die Kombination von vielen Datenquellen – Satelliten- und Bodenaufnahmedaten – realistische Schätzungen erstellen können“, so Engelen.

Zur Vorbereitung des neuen Services stellt das EU-finanzierte Projekt Menschengemachte Kohlenstoffdioxidemissionen (CHE) erste Grundbausteine zusammen, die einzelne von Menschen verursachte Emissionen auf verschiedenen Maßstabsebenen identifizieren sollen. Es baut auf bereits existierender Infrastruktur des Copernicus Climate Change Services und des Copernicus Atmosphere Monitoring Services auf und nutzt das Fachwissen der europäischen Wissenschaftsgemeinschaft. Bei dieser Aufgabe soll auch das EU-finanzierte Projekt VERIFY helfen. Im Rahmen des Projektes soll ein europäisches Treibhausgasschätzsystem entwickelt werden, mit dessen Hilfe Länder ihre Emissionsdaten besser an die UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC) übermitteln können.

Sobald der Service in Betrieb geht, wird er an vielen Stellen helfen. „Dazu zählen UNFCCC, einzelne Länder, die EU-Kommission, aber auch Industrie und Städte“, so Engelen. „In den kommenden Jahren werden wir mit den einzelnen Gemeinschaften über ihre Ansprüche reden, damit der Service seinen Zweck erfüllen kann.“