Klimaforschung: Treibhausgase CH4 und CO2 im Fokus europaweiter Forschungsflüge

„Mindestens 63 Flugstunden sind für die HALO Flüge über europäischen Ballungszentren, Bodenmessstationen und Kohlegruben bis Mitte Juni geplant“, sagt der Leiter des Projekts Dr. Andreas Fix vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Zusätzlich kommen noch bis zu 80 Flugstunden auf den drei kleineren Flugzeuge hinzu. Das Forschungsflugzeug HALO ist mit insgesamt sieben Instrumenten ausgestattet, um die Treibhausgase sowie weitere meteorologische Messgrößen zu erfassen und auch Luftproben zu sammeln. „Wir wollen mit unabhängigen Messungen die Quellen und Senken der Treibhausgase im Detail nachvollziehen. Methan-Emissionen stammen beispielsweise aus der Kohleförderung, der Erdöl- und Erdgasindustrie, von Mülldeponien sowie der Viehwirtschaft und dem Reisanbau. Daneben gibt es aber auch natürliche Quellen wie Feuchtgebiete oder Permafrostböden.“, so Fix weiter. „Um den Einfluss des von Menschen verursachten Methans auf den Klimawandel quantifizieren zu können, müssen neben den menschengemachten auch die natürlichen Quellen genau untersucht und die zu Grunde liegenden Prozesse verstanden werden. Hier herrscht gegenwärtig noch ein großes Forschungsdefizit.“

Das Forschungsflugzeug HALO startet jeweils von Oberpfaffenhofen bei München für die Messflüge in die Zielregionen, die von Finnland bis nach Nordafrika reichen. Damit die Forscher mit Hilfe der Fernerkundungsinstrumente ein genaues Bild der Verteilung der Treibhausgase bekommen, ist HALO zunächst in rund 8 bis 15 Kilometern Höhe im Mess-einsatz. An ausgewählten Orten werden dann Spiralen bis nahe zum Erdboden geflogen, um zusätzlich hochgenaue Informationen über die Höhenverteilung der Treibhausgase zu erhalten. In die Lufteinlässe strömende Luft wird dabei mit den Instrumenten an Bord kontinuierlich analysiert. Zusätzlich sammeln die Forscher bis zu 12 Luftproben pro Flug, die sie später im Labor noch genauer auf verschiedene Bestandteile untersuchen.

„Die Durchführung derartiger Flugzeugmissionen – besonders im verkehrsreichen Luftraum über Europa – erfordert ein hohes Maß an Koordination mit den verschiedenen Flugsicherungen der überflogenen Länder“, sagt Forschungspilot Dr. Marc Puskeiler „Die Absprache mit den Flugsicherungen muss mehrere Tage im Voraus erfolgen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Wettervorhersage und die Flugplanung, denn die Forscher benötigen möglichst wolkenfreie Messbedingungen“, ergänzt Frank Probst von der DLR-Einrichtung Flugexperimente, der den Betrieb der DLR-Flugzeuge während der CoMet-Mission leitet.

Während HALO hauptsächlich Messungen in Höhen bis zu 15 Kilometern durchführt, erkunden die zwei Cessnas die Verteilung des Treibhausgases im unteren Bereich der Atmosphäre bis auf eine Höhe von drei Kilometern. Dabei schrauben sie sich ebenfalls teilweise auf einem spiralförmigen Flugweg nach oben, um Messwerte bis zur geplanten Gipfel-Höhe zu erfassen. „Die gemeinsamen HALO-Flüge mit den Cessnas werden sich auf zwei wissenschaftlich besonders interessante Gebiete konzentrieren: das oberschlesische Kohlerevier, das aufgrund des emittierten Grubengases der vielen Anthrazitminen mit die größte europäische Methanquelle darstellt, sowie der Berliner Raum, der aufgrund seiner „Insellage“ umgeben von dünnbesiedelten Regionen ein interessantes Messgebiet ist, um die Treibhausgasflüsse einer Metropole zu erforschen“, erklärt Fix. In Oberschlesien wird das Projekt dabei von den polnischen Partnern der AGH Universität in Krakau unterstützt. Während eines experimentellen Messfluges nach Polen begleitet sogar ein viertes Flugzeug, die DLR Do-228 die CoMet Mission. Sie ist dabei mit einem Hyperspektralsensor ausgerüstet. Dabei testen die Forscher, ob dieses eigentlich für die Erdoberfläche genutzte Fernerkundungs-Instrument auch in der Lage ist, starke Methanquellen aus der Luft sichtbar zu machen.

CO2 ist allgemein als das wichtigste vom Menschen auf der Erde emittierte Treibhausgas bekannt. „Weniger bekannt hingegen ist, das Methan trotz der etwa 200-fach geringeren Konzentration in der Atmosphäre gegenüber CO2 ein sehr großes Treibhausgaspotential hat. Denn laut Bericht des Weltklimarates aus dem Jahr 2013 ist ein ausgestoßenes Methanmolekül über die ersten 20 Jahre 86-mal so klimawirksam wie ein CO2-Molekül. Für 100 Jahre sinkt dieser Wert auf die immer noch beachtliche 28-fache Klimawirksamkeit, da Methan schneller in der Atmosphäre abgebaut wird“, erläutert Fix.

Insgesamt beträgt der Anteil an der Klimaerwärmung von CO2 seit Beginn der industriellen Revolution etwa 65 Prozent, der von Methan etwa 18 Prozent bezogen auf alle vom Menschen emittierten Treibhausgase. Dabei hat sich die Methankonzentration in der Atmosphäre seit dem Jahr 1750 sogar mehr als verdoppelt während CO2 im gleichen Zeitraum ’nur‘ um etwa 44 Prozent angestiegen ist. „Ein besseres Verständnis der Konzentrationen von Methan in der Atmosphäre und Strategien zur kurzfristigen Verringerung von Methan-Emissionen können signifikant dazu beitragen das 2-Grad-Ziel zu erreichen“, so Fix weiter.

Die auf Initiative des DLR, des Max-Planck-Institutes für Biogeochemie und der Universitäten in Bremen und Heidelberg ins Leben gerufene Mission CoMet wird neben anderen Instrumenten das im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre neu entwickelte laserbasierte LIDAR-Messgerät ‚CHARM-F‘ (CH4 Atmospheric Remote Monitoring) zur hochaufgelösten Methandetektion einsetzen. „Die neue Technik erlaubt es, CH4 und CO2 unabhängig vom Sonnenlicht aus großer Entfernung und mit hoher Genauigkeit zu messen“, unterstreicht Fix. Ein solches Lidar-Instrument soll ab 2023 an Bord der deutsch-französischen Satellitenmission MERLIN (Methane Remote Sensing Mission) regionale und globale Emissionen des Treibhausgases Methan aus dem All bestimmen. Dies ist eine ideale Ergänzung zu den COPERNICUS Satelliten Sentinel-5 Precursor und Sentinel-5. Zur Erprobung der MERLIN-Technologie ist das französische Forschungsflugzeug Falcon 20 an einem der Messflüge beteiligt.

Es trägt ein in-situ Treibhausgasinstrument für Vergleichsmessungen während die Forscher an Bord von HALO die LIDAR-Technologie erproben, die später auf MERLIN eingesetzt werden soll. Der gemeinsame Messflug wird mit Bodenstationen und Ballonaufstiegen koordiniert und erfordert wolkenlosen Himmel über dem größten Teil Frankreichs.

Neben dem Laserradar (Lidar) ‚CHARM-F‘ trägt HALO ein Cavity-Ringdown-Spektrometer des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie Jena, mit dem die wichtigsten Treibhausgase in-situ gemessen werden, sowie einen Probensammler zur Bestimmung weiterer Gase in Laboranalysen der gesammelten Luftproben. Mit einem optischen Spektrometer der Universität Heidelberg an Bord von HALO werden gleichzeitig mit den Treibhausgasen emittierte Luftschadstoffe gemessen.

Die beiden kleineren Forschungsflugzeuge der Mission sind ebenfalls mit hochwertigen Instrumenten ausgestattet. Die Cessna Grand Caravan des DLR unterstützt die Mission mit in-situ Treibhausgas- und Windmessungen in der Grenzschicht, dem untersten Teil der Atmosphäre und ist unter anderem mit einem state-of-the-art Quantenkaskadenlasersystem ausgestattet. „Der untere Teil des Treibhausgasprofils dominiert gerade in der Nähe von relevanten Methanquellen wie in Oberschlesien oftmals die Gesamtverteilung nach der Höhe und weist zudem die größte Variabilität auf. Wir tragen mit unseren Messungen dazu bei Emissionen ausgewählter Quellen im Detail zu charakterisieren“ sagt Dr. Anke Roiger, Leiterin der DLR Cessna Mission vom Institut für Physik der Atmosphäre. Zudem trägt die Cessna 207 der Freien Universität Berlin ein passives optisches Spektrometersystem (MAMAP) der Universität Bremen zur flächenhaften Erfassung der Treibhausgasverteilungen von CO2 und Methan.

Für die Forschungsflüge haben die Forscher mehrere Prognose-Modelle entwickelt, die Ihnen vorhersagen, wo erhöhte Konzentrationen der Treibhausgase bei bestimmten Wetterlagen zu erwarten sind. Anhand dieser Modelle erfolgt die Flugplanung. „Unser Ziel ist eine optimale Messstrategie für die CoMet-Mission, um die Datenlücken über Europa möglichst effektiv zu schließen und die Modelle zu trainieren“, so Fix.

Wissenschaftliche Projektpartner sind neben dem DLR das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, die Universitäten Bremen, Heidelberg und die Freie Universität Berlin. Darüber hinaus sind Forschungsinstitute aus acht verschiedenen Ländern sowie internationalen Messnetzverbünde und Weltraumagenturen beteiligt, die von dieser besonderen Flugzeugmission profitieren. Das Forschungsprojekt CoMet (Carbon dioxide and methane mission for HALO) wird mit rund einer Million Euro von den Partnerinstituten und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Zudem wird die Auswertung der Messergebnisse der aktuell stattfindenden Flugversuche, sowie die Weiterentwicklung und Nutzung der Instrumente und Modelle im Rahmen des Projekts AIRSPACE (Aircraft Remote Sensing of Greenhouse Gases with combined Passive and Active instruments) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 3,9 Millionen Euro gefördert. 

Das Forschungsflugzeug HALO basiert auf einer zweistrahligen Gulfstream G550 und ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. HALO wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gemeinschaftund der Max-Planck -Gesellschaft beschafft. Der Betrieb von HALO wird von der DFG, der Max-Planck -Gesellschaft, dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) getragen. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.