Siehe zu dieser Thematik bitte auch unser Clim4Edu Handbuch (PDF Datei).
Wir haben zu der Thematik wie Satelliten CO2 messen auch ein webbasiertes interaktives Tool entwickelt: https://www.iup.uni-bremen.de/carbon_ghg/Clim4Edu/interaktiv/Wie_messen_Satelliten_CO2.html. Auf dieser Webseite gibt es auch entsprechende Hintergrundinformationen einschließlich Informationen zur Benutzung des Tools im Unterricht.
Kohlenstoffdioxid (CO2) ist das wichtigste anthropogene Treibhausgas und daher eine sogenannte essentielle Klimavariable (ECV).
CO2 entsteht in großen Mengen – derzeit etwa 40 Milliarden Tonnen pro Jahr – bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Bodenmessungen des atmosphärischen CO2 gibt es seit 1958 (https://de.wikipedia.org/wiki/Keeling-Kurve) und Satellitenmessungen seit dem Start des ENVISAT-Satelliten (https://de.wikipedia.org/wiki/Envisat) im Jahre 2002 dank des deutsch/niederländisch/belgischen Satelliten-Instruments SCIAMACHY (https://de.wikipedia.org/wiki/SCIAMACHY), welches eines von 10 Instrumenten auf diesem Satelliten war.
Hier erfährt man …
Abbildung 57 zeigt Zeitreihen und globale Karten des atmosphärischen CO2 von 2003 bis 2020, gemessen mit mehreren Satelliteninstrumenten (SCIAMACHY/ENVISAT 2003-2012 (https://de.wikipedia.org/wiki/SCIAMACHY), GOSAT (https://de.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Gases_Observing_Satellite) seit 2009 und NASA’s OCO-2 (https://de.wikipedia.org/wiki/Orbiting_Carbon_Observatory_2) seit 2014).
Die in der Abbildung dargestellte Messgröße ist das vertikal gemittelte CO2-Mischungsverhältnis, genannt XCO2, in „Teilchen pro Millionen“ (parts per million, ppm). 1 ppm entspricht einem CO2-Molekül pro eine Millionen Luftmoleküle. Wenn XCO2 also an einem Ort den Wert 400 ppm hat, dann bedeutet dies, dass sich oberhalb dieses Ortes im Mittel über die gesamte Atmosphäre (vom Erdboden bis zum Weltraum) 400 CO2 Moleküle pro eine Millionen Luftmoleküle befinden. In dieser vertikalen Luftsäule sind also 0.04% aller Moleküle CO2-Moleküle.
Abbildung 57: Zeitreihen und globale Karten von CO2-Satellitenmessungen. Dargestellt ist das (vertikal gemittelte) atmosphärische Mischungsverhältnis von CO2 in ppm (parts per million). Klar zu erkennen ist der Anstieg des CO2 aufgrund der Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie die jahreszeitlichen Schwankungen des CO2 aufgrund der Aufnahme und Abgabe durch Pflanzen innerhalb eines jeden Jahre durch Pflanzenwachstum und Pflanzenatmung sowie Zersetzung absterbender Pflanzenreste. Quelle: Universität Bremen Beitrag zu C3S (https://climate.copernicus.eu/climate-indicators/greenhouse-gas-concentrations bzw. https://climate.copernicus.eu/sites/default/files/custom-uploads/Indicators/ghg_concentrations/C3S_indicators_ghg_concentrations_fig2_April21_branded.pdf).
Die hier gezeigten Satelliten-Beobachtungen basieren auf der Messung und Interpretation von reflektiertem Sonnenlicht in Spektralbereichen, in denen CO2 Sonnenlicht absorbiert (das Messprinzip heißt „Absorptions-Spektroskopie“). Je mehr CO2 sich in der Atmosphäre befindet, je mehr Sonnenlicht wird (bei den entsprechenden Wellenlängen) absorbiert und je weniger „CO2-Lichtsignal“ kommt beim Satelliten an. Daher kann man aus den Satelliten Fernerkundungs-Messungen auf die atmosphärische CO2-Menge zurückrechnen.
Hierdurch kann die gesamte CO2-Menge (die „vertikale Säule“) gut bestimmt werden, aber nicht in welcher Höhe genau wieviel CO2 vorhanden ist. Die Konzentration direkt am Erdboden wird lokal mittels Bodenmessungen erfasst (siehe z.B. https://gml.noaa.gov/ccgg/trends) und vertikale Profile, also die Höhenverteilung, mittels Flugzeugen und anderen Messungen.
Dies zeigt, dass sich die verschiedenen Messmethoden sehr gut ergänzen, wobei der große Vorteil der Satellitenbeobachtungen die globale Abdeckung ist. Wie die globalen Karten zeigen, ändert sich die CO2-Konzentration räumlich nur sehr wenig. Dies hat mit der langen Verweildauer von CO2 und der damit verbundenen relativ hohen Konzentration von CO2 in der derzeitigen Atmosphäre zu tun.
Die in der Abbildung gezeigten räumlichen aber auch die zeitlichen Schwankungen haben viel mit der Aufnahme und der Abgabe von CO2 durch Pflanzen zu tun. Über der Nordhemisphäre ist die CO2-Konzentration typischerweise am höchsten im Mai (siehe die rote Zeitreihe). In den darauffolgenden (Sommer-)Monaten werden riesige Mengen CO2 aus der Atmosphäre für das Pflanzenwachstum entnommen (Photosynthese). Pflanzen atmen wie wir Menschen aber auch CO2 wieder aus (Respiration). Hierdurch wird CO2 wieder an die Atmosphäre zurückgegeben.
Zusammen mit weiteren Prozessen, wie z.B. die Zersetzung des heruntergefallenen Laubes im Herbst, ergibt sich näherungsweise ein Kreislauf, der sogenannte Kohlenstoffkreislauf. Auf der Südhemisphäre gibt es weniger Pflanzen und daher sind dort die jahreszeitlichen Schwankungen viel kleiner als nördlich des Äquators (siehe die grüne Kurve im Vergleich zur roten).
Bei einem ungestörten Kohlenstoffkreislauf könnte am Ende eines Jahres genau so viel CO2 in der Atmosphäre sein wie zu Beginn dieses Jahres aber wie die Abbildung zeigt, ist dies nicht der Fall: Das CO2 steigt unaufhörlich an. Das liegt daran, dass wir durch quasi kontinuierliche Emissionen den Kohlenstoffkreislauf stören: Wir verbrennen fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl und das dabei entstehende CO2 sammelt sich in der Atmosphäre an.
CO2 ist chemisch sehr träge und wird daher kaum abgebaut. Ein großer Teil wird hunderte oder sogar tausende von Jahren in der Atmosphäre verbleiben. Der Anstieg des CO2 schwankt etwas von Jahr zu Jahr aber liegt derzeit bei etwa 2,3 ppm/Jahr. Da CO2 sehr langlebig und daher in der Atmosphäre gut gemischt ist, ist dieser Anstieg in guter Näherung überall auf der Welt der Gleiche, siehe z.B. die in der Abbildung gezeigten Zeitreihen: all Kurven (rot Nordhemisphäre, grün Südhemisphäre, schwarz global) haben in etwa die gleiche Steigung. Da CO2 in der ganzen Atmosphäre typischerweise sehr gut gemischt ist, kann man eine Mischungsverhältniszunahme einfach in die entsprechende Massenzunahme umrechnen:
Ein Anstieg von 1 ppm entspricht 7,77 Milliarden Tonnen CO2. Dies wird oft angegeben in der Einheit GtCO2, wobei G für Giga (also Milliarde) steht, aber oft auch als 2,12 GtC (= 2,12 Milliarden Tonnen Kohlenstoffatome). Ein Teil des von uns emittierten CO2 – derzeit etwa 50% - wird von den sogenannten natürlichen Kohlenstoffsenken aufgenommen, den Ozeanen und der Landbiosphäre. Ohne diese Senken wäre die CO2 Konzentration in der Atmosphäre bereits viel höher und die Erderwärmung schon weiter fortgeschritten.
Vermehrtes Pflanzenwachstum durch CO2-Düngung mittels erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration ist sicherlich ein ehr positiver Effekt aber die CO2-Anreicherung im Wasser führt zu einer Versauerung der Ozeane mit deutlichen negativen Konsequenzen für viele Meeresbewohner. Die Ozeane nehmen derzeit etwa 26% des emittierten CO2 auf und die Landbiosphäre 29%.
Relevante ESA CCI Webseiten:
https://climate.esa.int/de/projekte/ghgs/
https://climate.esa.int/en/projects/reccap-2/