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Clim4Edu: Interaktive Materialien für Schulen zum Klimawandel |
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Wie kann man mittels Satelliten die atmosphärische Methan-Konzentration messen? Das geht im Prinzip genauso wie für CO2 und ist (für das Beispiel CO2) hier beschrieben: PDF Datei. Zur entsprechenden zugehörigen und dort beschriebenenen interaktiven Grafik geht es HIER.
Allgemeine Hintergrundinformationen zum Klimawandel und zu sogenannten essentiellen Klimavariablen (wie Methan oder CO2) finden sich in unserem Handbuch.
Hintergrundinformationen zu Methan gibt es zum Beispiel in aller Kürze HIER oder etwas ausführlicher HIER.
Gezeigt ist die atmosphärische Methan-Konzentration in "ppb". ppb bedeutet "parts per billion", also "Teile pro Milliarde". Gemeint ist hier der Anteil der Methan-Moleküle an den Luftmolekülen. 1800 ppb bedeuten hier, dass die Atmosphäre an dem entsprechenden Ort (bzw. oberhalb dieses Ortes) im Mittel 1800 Methan-Moleküle pro eine Milliarde Luftmoleküle (ohne Wasserdampfmoleküle) enthält (und zwar in der ganzen Atmosphäre, also vom Erdboden bis zum Oberrand der Atmosphäre). Diese Messgrösse, also das vertikal gemittelte Mischungsverhältnis von Methan (CH4) bezüglich trockener Luft, wird mit XCH4 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 Methan 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 Methanquellen. Der Hauptgrund, warum man diese Satellitenmessungen macht, ist, dass man mehr über die verschiedenen Methan-Quellen erfahren möchte.
Wichtige Methanquellen sind Sümpfe, Reisfelder, Kohleminen, Öl- und Gasfelder, Mülldeponien und Wiederkäuer wie Rinder und Schafe.
Wie man an der räumlichen Verteilung sieht, ist die Methanmenge in bestimmten Monaten über bestimmten Regionen höher als in deren Umgebung. Dies ist zum Beispiel bei China und Indien in den Sommermonaten der Fall. Lokale Konzentrationserhöhungen entsprechen meist starken lokalen Methanquellen. Methan entsteht zum Beispiel bei der mikrobiellen Zersetzung von Biomasse unter Luftabschluss zum Beispiel in Sümpfen und Reisfeldern, und diese Verrotungsprozesse laufen am besten ab, wenn es warm und feucht ist. Es gibt aber auch noch viele weitere Methanquellen, wie zum Beispiel Lecks bei Öl- und Gasfeldern und durch verschiedene mit der Landwirtschaft verbundene Prozesse.
Wie man auch sieht, ist die Methankonzentration über der Nordhemissphäre meist höher als über der Südhemisphäre. Dies liegt daran, dass sich die meisten Methanquellen auf der Nordhemisphäre befinden.
Der Zeitverlauf zeigt, dass die Methankonzentration bis etwa 2007 - abgesehen von jahreszeitlichen Schwankungen - im Mittel über die Jahre recht konstant war. Seit 2007 gibt es aber einen Anstieg der Konzentrationen (wie auch schon vor 1990, wie Bodenmessungen zeigen).
Aufgrund der Vielzahl der Methanquellen (und wegen der starken Senke in der Atmosphäre durch chemischen Abbau) ist der genaue Grund bzw. die genauen Gründe für den beobachteten Konzentrationsverlauf Gegenstand aktueller Forschung.
Untersuchungen legen nahe, dass es wohl nicht nur einen Grund für den Anstieg gibt und dass mikrobielle Quellen, also Methanemissionen durch den Abbau von Biomasse zum Beispiel in Sümpfen, eine wichtige Rolle spielen. Der Anstieg ist also sicher nicht nur durch die Zunahme anthropogener Quellen, wie zum Beispiel nicht-konventionelle Erdgasförderung durch Fracking, zu erklären.
Die in dieser Animation gezeigten Daten sind räumlich und zeitlich gemittelt. Die zugundeliegenden Satellitendaten können aber eine viel höhere zeitliche und räumliche Auflösung haben, wie dieses Bild zeigt:
Die grosse Karte oben zeigt die gemessenen Methankonzentrationen des Jahres 2021. Man erkennt wichtige Quellregionen an den lokal erhöhten Konzentrationen (gelb). Wichtige Quellregionen sind zum Beispiel China und Indien (Reis, Landwirtschaft, Abfall, fossile Brennstoffe, etc.) aber auch der Sudan (Sümpfe) und Teile der USA und Russlands (zum Beispiel Förderung, Verteilung und Nutzung von Erdgas).
Die beiden regionalen Karten am unteren Rand der Abbildung zeigen Satelliten-Einzelmessungen, wie man sie aus einzelnen Überflügen des Satelliten über einem bestimmten Gebiet ableiten kann. Jedes kleine farbige Rechteck deckt am Erdboden eine Fläche mit einer Seitenlänge von etwa 7 km ab. Auch hier sind wichtige Quellregionen klar an lokal erhöhten Konzentrationen (gelb) zu erkennen. Die gelbe Flecken in der Region unten links entsprechen im wesentlichen Methanemissionen aus der Erdölförderung im Bereich des Permian Basin in Nordamerika. Die gelbe Flecken in der Region unten rechts entsprechen Methanemissionen aus Erdgas-Förderung und -Transport in Turkmenistan.
Mittels geeigneter Methoden können aus den gezeigten Satellitendaten die Methanemissionen abgeschätzt werden, also die emittierte Menge pro Zeit (z.B. Kilogramm Methan pro Stunde). Hierfür werden aber weitere Informationen benötigt, insbesondere die Windgeschwindigkeit in den unteren Atmosphärenschichten.
Hier ein Bild, welches den Zeitverlauf der atmosphärischen Methankonzentration 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) könnnen HIER erhalten werden.
Der Copernicus Klimawandel-Dienst C3S zeigt auch weitere Abbildungen von Satellitenmessungen von Methan, zum Beispiel Karten ähnlich dieser (siehe HIER für mögliche Updates):
Die obere Reihe zeigt Messungen des SCIAMACHY Instruments auf ENVISAT 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. Die grösseren Datenlücken in den unteren Bildern im Vergleich zu den oberen Bildern liegen an den unterschiedlichen Characteristika der beiden Satelliten.
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)