Überblick über Methoden zum Nachweis von atmosphärischem Methan

Die menschlichen Aktivitäten seit der ersten industriellen Revolution haben die Methankonzentration in der Atmosphäre mehr als verdoppelt. Methanemissionen machen zwar nur 3 % der gesamten Treibhausgasemissionen (nach Masse) aus, ihr Strahlungsantrieb (oder Klimaantrieb) beträgt jedoch 23 % der gesamten Strahlung. Der GHGSat-Bericht zu Methanemissionen 2023 zeigt, dass die globalen Methanemissionen bis Ende 2023 etwa 378 Mio. t CO₂-Äquivalente erreichten – doppelt so viel wie 2022. Methan ist derzeit nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas und genießt in allen großen Volkswirtschaften weltweit hohe Aufmerksamkeit.

Die systematische Erfassung von Methan in der Atmosphäre begann in den 1880er Jahren mit dem Globalen Atmosphärenbeobachtungsprogramm (GAW) der Weltorganisation für Meteorologie (WMO). Je nach Montageplattform des Detektors lassen sich die Methoden zur Methanmessung in bodengestützte, weltraumgestützte und satellitengestützte Verfahren unterteilen.

△TCCON Globale Standortverteilungskarte

Bodengestützte Detektion

Die bodengestützte Detektion begann am frühesten, und zu den wichtigsten globalen bodengestützten Methanbeobachtungsnetzwerken gehören derzeit das Total Carbon Column Observation Network (TCCON) und das National Disturbance and Change in Atmosphere Detection Network (NDACC).

Die bodengestützte Detektion ist hochsensitiv und kann hochpräzise atmosphärische Methanmessdaten liefern, jedoch ist die Anzahl der weltweit verteilten Bodenstationen begrenzt und ihre räumliche Verteilung ungleichmäßig, mit einer geringen Abdeckung durch Beobachtungsstationen in Südamerika, Afrika, Ozeanien und Asien.

△Maschinenbasierte atmosphärische Methanmessung

Weltraumbasierte Detektion

Im Bereich der luftgestützten Detektion wurden eine Reihe von luftgestützten Detektoren entwickelt, darunter das Airborne Laser Infrared Absorption Spectrometer (ALIAS), der Airborne Atmospheric Trace Gas Chromatograph (ALIAS-II), das Gas Monitoring Lidar (GML), das Next Generation Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS-NG) der NASA, das Airborne Spectrometer (GHGSat-AV) von GHGSat und der MethaneSAT Airborne Simulator (MethaneAIR).

Die luftgestützte Detektion ermöglicht die Echtzeit-Erkennung vor Ort und somit schnelle Fluguntersuchungen in einem bestimmten Umkreis sowie eine rasche Reaktion auf vermutete Methanlecks in der Atmosphäre. Mit luftgestützten Detektionssystemen lassen sich Methanemissionen von über 10 kg/h zuverlässig quantifizieren, und einige Spektrometer können sogar Emissionen unter 5 kg/h nachweisen.

△Weltraumgestützte Fähigkeit zur atmosphärischen Methanerkennung

Sternenbasierte Erkundung

Seit 1990 wird die Satellitenfernerkundung zunehmend zur Überwachung der atmosphärischen Zusammensetzung eingesetzt. Die Vereinigten Staaten, die Länder der Europäischen Union, Japan, Kanada und China haben nacheinander mehrere Satelliten mit Methanmessfähigkeiten gestartet und so schrittweise ein mehrskaliges, räumliches Methanmesssystem aufgebaut, das den gesamten Globus, einzelne Regionen und Punktquellen abdeckt. Mit der Verbesserung der Leistungsfähigkeit satellitengestützter Sensoren steigt auch die Messgenauigkeit kontinuierlich.

Die satellitengestützte Detektion kompensiert die geringe räumliche Abdeckung bodengestützter und satellitengestützter Detektionsverfahren. Boden- und satellitengestützte Detektionsverfahren liefern Verifizierungsdaten für die Genauigkeit der satellitengestützten Detektion. Die drei Detektionsmethoden – bodengestützte, satellitengestützte und satellitengestützte Detektion – ergänzen sich und bilden eine Datengrundlage für die atmosphärische Methanmessung. Sie dienen außerdem der Verifizierung und Unterstützung von Emissionsinventaren, die auf Bottom-up-Daten basieren, durch einen Top-down-Ansatz.