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Clim4Edu: Interaktive Materialien für Schulen zum Klimawandel |
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Wie kann man mittels Satelliten die atmosphärische CO2-Konzentration messen? Das ist HIER beschrieben einschliesslich Erläuterung der Benutzung dieser interaktiven Grafik.
Weitere Informationen zu CO2 mit Schwerpunkt Zeitverlauf der atmosphärischen CO2-Konzentration der vergangenen 450 Millionen Jahre gibt es HIER, ebenfalls mit Erläuterung der Benutzung einer entsprechenden interaktiven Grafik. Warum hat sich die CO2-Konzentration teilweise sehr stark verändert? Diese Frage und weitere Fragen werden hier beantwortet.
Allgemeine Hintergrundinformationen zum Klimawandel und zu sogenannten essentiellen Klimavariablen (wie CO2) finden sich in unserem Handbuch.
Gezeigt ist die atmosphärische CO2-Konzentration in "ppm". ppm bedeutet "parts per million", also "Teile pro Millionen". Gemeint ist hier der Anteil der CO2-Moleküle an den Luftmolekülen. 400 ppm bedeuten hier, dass die Atmosphäre an dem entsprechenden Ort (bzw. oberhalb dieses Ortes) im Mittel 400 CO2-Moleküle pro eine Millionen Luftmoleküle (ohne Wasserdampfmoleküle) enthält (und zwar in der ganzen Atmosphäre, also vom Erdboden bis zum Oberrand der Atmosphäre). Diese Messgrösse, also das vertikal gemittelte CO2-Mischungsverhältnis bezüglich trockener Luft, wird mit XCO2 bezeichnet.
Wie man an den räumlichen Datenlücken sieht, messen die Satelliten nicht immer überall. Das es Datenlücken gibt, liegt u.a. daran, dass man mittels des Satelliten aus dem Weltraum bis zum Erdboden schauen möchte (warum? siehe unten) und Wolken den Weg des reflektieren Sonnenlichts beeinflussen. Die Satelliten beobachten die Atmosphäre mehr oder weniger direkt unterhalb des Satelliten (sie schauen also quasi nach unten). Im Falle von Wolken kann man den Erdboden nicht vom Weltraum sehen, da das Sonnenlicht bereits am Oberrand der Wolke in den Weltraum zurückreflektiert wird und nicht am Erdboden, wie im wolkenfreien Fall. Den auch Sonnenlicht im hier verwendeten nahinfraroten Spektralbereich (mit relative langen Lichtwellenlängen im Bereich um 1650 Nanometer) wird durch Wolken ähnlich beeinflusst, wie Sonnenstrahlung im für uns sichtbaren Spektralbereich (mit den kürzeren Wellenlängen des für unser Auge sichtbaren Spektralbereichs um die 400-700 Nanometer). Die Satelliten sehen zwar Sonnenstrahlung anderer (nämlich längerer) Wellenlängen (also andere "Farben"), aber ansonsten ist vieles ähnlich wie bei unserem Sehen, d.h. wie bei der Detektion von Lichtenergie mit unseren Augen.
Die hier gezeigten Daten entsprechen wolkenfreien Beobachtungsbedingungen. Und da es viele Wolken gibt, gibt es auch viele Datenlücken.
Desweiteren sieht man, dass die Messungen im Laufe des Jahres dem Sonnenstand (also den Jahreszeiten) folgen, da die Messungen auf reflektiertem Sonnenlicht basieren und der Breitengrad, bei dem die Sonne Mittags im Zenit steht, von der Jahreszeit abhängt. Je höher die Sonne am Himmel steht (also je kleiner der Sonnenzenitwinkel ist), desto mehr Sonnenlicht bzw. Sonnenenergie trifft auf jeden Quadratmeter Erdboden und je mehr Licht kann dann wieder entsprechend in den Weltraum Richtung Satellit reflektiert werden. Je höher der Sonnenstand, je besser die für diese Satellitenmessung benötigte Beleuchtung.
Die Eigenschaften der Erdoberfläche spielen also auch eine wichtige Rolle bei den Satellitenmessungen. Insbesondere kommt es darauf an, wie gut der Erdboden die Sonnenstrahlung reflektiert. Wasser und Schnee sind zum Beispiel schlechte Reflektoren von nahinfrarotem Sonnenlicht (ausser bei bestimmten Beobachtungsgeometrien und Sonnenständen, nämlich wenn zum Beispiel das Wasser wie ein Spiegel wirkt).
Warum möchte man bis zum Erdboden schauen? Weil man einerseits die Gesamtmenge von CO2 in der Atmosphäre und dessen Änderungen bestimmen möchte (zum Beispiel die Veränderung von einem Jahr zum nächsten) aber insbesondere auch, weil man wissen möchte, was nahe am Erdboden passiert, den dort sind die meisten CO2-Quellen (insbesondere Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas) und Senken (insbesondere Wälder).
Der Hauptgrund, warum man diese Satellitenmessungen macht ist, dass man mehr über die verschiedenen CO2-Quellen und -Senken lernen möchte.
Wie man auch sieht, zeigt die atmosphärische CO2-Konzentration deutliche zeitliche und räumliche Schwankungen und einen nahezu linearen zeitlichen Anstieg. Der ungebremste zeitliche Anstieg kommt von unseren CO2-Emissionen, also von der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die jahreszeitlichen Schwankungen kommen im wesentlichen durch die Aufnahme und Abgabe von CO2 durch Pflanzen.
Über den mittleren Breiten der Nordhemisphäre ist die Konzentration typischerweise im April oder Mai eines jeden Jahres maximal. Dann fangen die Landpflanzen an zu wachsen und alles wird grün (Blätter, Rasen, ...). Dabei werden riesige Mengen CO2 aus der Atmosphäre von den Pfanzen aufgenommen. Folglich sinkt die atmosphärische CO2-Konzentration. Nach der Wachstumphase im Herbst und im Winter wird ein Grossteil des CO2 wieder in die Atmosphäre zurückgegeben aufgrund der Pfanzenatmung (die es immer gibt, auch im Sommer) und Zersetzungprozessen (z.B. von Laub).
Hier ein Bild, welches den Zeitverlauf der atmosphärischen CO2-Konzentration zeigt:
Dies Bild zeigt den Zeitverlauf bis Ende des Jahres 2022. Die zugrundeliegende Originalabbildung wurde vom Copernicus Klimawandel-Dienst (C3S) erstellt, und wird regelmäßig aktualisiert, siehe HIER.
Die zugrundeliegenden Daten (in Form einer einfachen Textdatei) gibt es HIER.
Der Copernicus Klimawandel-Dienst C3S zeigt auch weitere Abbildungen von Satellitenmessungen von CO2, zum Beispiel Karten ähnlich dieser (siehe HIER für mögliche Updates):
Die obere Reihe zeigt Messungen des SCIAMACHY Instruments auf dem ENVISAT Satelliten des Jahres 2003. Die untere Reihe zeigt Messungen des japanischen GOSAT Satelliten des Jahres 2022. Die räumlichen Verteilungen sind sehr ähnlich in den beiden Jahren, obwohl fast zwei Jahrzehnte zwischen den Messungen liegen.
Dies liegt daran, dass man im wesentlichen nur die grossflächigen dominierenden Muster der natürlichen CO2 Schwankungen aufgrund der Aufnahme und Abgabe von atmosphärischem CO2 durch Vegetation sehen kann. Lokale Schwankungen und räumliche Muster aufgrund anthropogener CO2-Emissionen liegen typischerweise im 1 ppm Bereich und können meist nur mittels spezieller Datenanalyseverfahren sichtbar gemacht werden. Ein Beispiel hierfür ist hier gezeigt:
Dieses Bild entstammt einer wissenschaftlichen Publikation, in der untersucht wurde, ob man mit derzeit existierenden Satelliten die verminderten CO2-Emissionen aufgrund der COVID-19 Pandemie aus dem Weltraum aus detektieren kann.
Im Gegensatz zu den obigen Abbildungen ist hier nicht die gemittelte CO2-Konzentration direkt gezeigt, sondern gemittelte Anomalien, also nach Subtraktion einer Referenzverteilung. Die Anomalien wurden bestimmt, indem man von den täglichen CO2-Karten jeweils zunächst den Mittelwert (bzw. den Median) subtrahiert hat und erst dann diese täglichen Anomaliekarten gemittelt wurden.
Dadurch eleminiert man grossflächige Schwankungen des CO2 und kann besser das regionale Emissions-Signal isolieren. Das gezeigt Bild muss jedoch vorsichtig interpretiert werden, da die täglichen Karten keine vollständige Abdeckung der Region haben (wegen Wolken und anderen Gründen). Nicht jedes Detail zeigt daher eine lokale Quelle oder Senke. Aber die grossflächige Erhöhung zwischen Peking (Beijing) und Hong Kong deutet auf signifikante CO2-Emissionen in dieser Region hin und das ist sehr plausibel, denn in diesem Gebiet wohnen viele Menschen mit entsprechend hohen CO2-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die lokale Erhöhung des vertikal gemittelten Mischungsverhältnisses von CO2 (also von XCO2) liegt aber wie man sieht nur im Bereich von 1-3 ppm und ist damit kleiner als die meisten grossflächigen räumlichen Variationen, welchen in den obigen CO2-Karten zu sehen sind, welche primär durch natürliche Quellen und Senken verursacht sind.
Weitere Unterrichtsmaterialien für Lehrerinnen und Lehrer (einschliesslich Lehrplanbezug, didaktische Kommentar, Vorschlag für Stundenverlaufsplan) und Schülerinnen und Schüler (einschliesslich weitere Aufgaben) siehe FIS - Fernerkundung in Schulen (Kontakt: Prof. Andreas Rienow (andreas.rienow@rub.de)).
Kontakt: Maximilian Reuter (mreuter@iup.physik.uni-bremen.de) und Michael Buchwitz (buchwitz@uni-bremen.de)