Aktueller Stand und Trends der weltraumgestützten Methanüberwachung

Es gibt drei Hauptmethoden zur atmosphärischen CH4-Detektion: bodengestützte, flugzeuggestützte und satellitengestützte Messungen. Die bodengestützte Messung wurde als erste entwickelt und bildet heute ein Beobachtungssystem, das durch das Total Carbon Column Observation Network (TCCON) und das National Disturbance and Change in Atmospheric Composition Detection Network (NDACC) repräsentiert wird. Auch die flugzeuggestützte Messung hat die Entwicklung einer Reihe von Detektoren hervorgebracht, darunter das Airborne Laser Infrared Absorption Spectrometer (ALIAS) und die zweite Generation von ALIAS (ALIAS-II), das Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS-Classic) und die nächste Generation von AVIRIS (AVIRIS-NG). Während bodengestützte und flugzeuggestützte Beobachtungen eine hohe Präzision bieten, ist ihre räumliche Abdeckung begrenzt, wodurch ihre Anwendung auf lokale Beobachtungen beschränkt ist. Satellitenbeobachtungen, die von zahlreichen natürlichen Bedingungen unbeeinflusst sind, ermöglichen kontinuierliche, stabile und hochpräzise globale Messungen und liefern durch einen Top-down-Ansatz die Verifizierung und Unterstützung von Bottom-up-Emissionsinventaren.

Satellitensensor zur Methanüberwachung

Methoden zur Detektion von atmosphärischem Methan (CH4) mittels Satellitenfernerkundung lassen sich in passive und aktive Fernerkundung unterteilen. Die passive Fernerkundung basiert hauptsächlich auf den kurzwelligen Infrarotbändern (SWIR) bei 1,65 μm und 2,3 μm sowie dem thermischen Infrarotband (TIR) ​​um 8 μm. Dementsprechend werden passive CH4-Detektionssensoren in thermische und kurzwellige Infrarotsensoren unterteilt. Kurzwellige Infrarotsensoren gewinnen Informationen durch Messung der atmosphärischen Rückstreuung, während thermische Infrarotsensoren die thermische Strahlung der Atmosphäre messen. Die aktive Fernerkundung, wie beispielsweise die CH4-Fernerkundungs-Lidar-Mission MERLIN, verwendet Sensoren, die autonom Strahlung aussenden. Diese wird nach der Wechselwirkung mit der Atmosphäre empfangen und ermöglicht so die Detektion. Im kurzwelligen Infrarotbereich weisen CH4-Moleküle zahlreiche Obertöne und Kombinationsbanden auf, insbesondere nahe 1,66 μm und 2,3 μm. Mithilfe dieser beiden Bänder lassen sich die Absorptionseigenschaften von CH4 effektiv charakterisieren und somit Informationen über die CH4-Konzentration gewinnen. Darüber hinaus reagiert kurzwelliges Infrarot empfindlicher auf Änderungen der CH4-Konzentration in Bodennähe und gleicht so die Einschränkungen des thermischen Infrarots aus. Daher nutzten die meisten später entwickelten Weltraumsensoren kurzwellige Infrarotsatelliten zur CH4-Detektion.

△ Typische Methanüberwachungssatelliten im In- und Ausland

Regionale Erkundungssatelliten

1. SCIMACHE

Der an Bord des ESA-Umweltsatelliten ENVISAT befindliche Scanning Imaging Absorption Spectroscopic Atmospheric Mapper (SCIAMACHY) war der weltweit erste Weltraumdetektor, der den kurzwelligen Infrarotbereich als Detektionswellenlänge nutzte. SCIAMACHY wurde im März 2002 gestartet und verfügt über Nadir-, Okkultations- und Liminalbeobachtungsmodi, die eine effektive Messung der chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre ermöglichen. Der Strahlungsdetektor deckt das ultraviolette bis kurzwellige Infrarotspektrum ab und besitzt acht Kanäle mit einem Wellenlängenbereich von 0,24–2,38 Mikrometern. Kanal 6 (1,63–1,67 Mikrometer) und Kanal 8 (2,26–2,38 Mikrometer) können beide CH₄ mit spektralen Auflösungen von 1,48 nm bzw. 0,26 nm nachweisen.

2. Japans GOSAT-Satellit

Der GOSAT-Satellit der ersten Generation wurde im Januar 2009 in eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht und trug das Thermal Infrared and Near-Infrared Carbon Observatory (TANSO) zur globalen Überwachung von Treibhausgasen. TANSO besteht aus einem Fourier-Transformationsspektrometer (FTS) und einem Wolken- und Aerosol-Imager (CAI). Das FTS dient der Treibhausgasmessung, während der CAI gleichzeitig Wolken- und Aerosoldaten für die koordinierte Inversion erfasst. Das TANSO-FTS umfasst vier Spektralbänder: 0,758–0,775 nm, 1,56–1,72 nm, 1,92–2,08 nm und 5,56–14,3 nm. Es detektiert und invertiert CH₄ im Bereich um 1,6 Mikrometer mit einer spektralen Auflösung von 0,2 cm⁻¹. Der im Oktober 2018 gestartete Satellit GOSAT-2 ist der direkte Nachfolger von GOSAT und trägt ebenfalls das Fourier-Transformationsspektrometer der zweiten Generation (TANSO-FTS-2). Dieses verfügt über zusätzliche SIF- und CO-Detektionskanäle, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und die Genauigkeit der Treibhausgasmessung erhöht wird. Der Sensor besitzt eine spektrale Auflösung von unter 0,2 cm⁻¹ und deckt die Bereiche 0,75–0,77 μm, 1,56–1,69 μm, 1,92–2,38 μm und 5,6–14,30 μm ab. Das Detektionsfenster für CH₄ liegt bei etwa 1,67 μm, und die Zielgenauigkeit beträgt 5 × 10⁻⁹ für ein Landraster von über 500 km und ein Ozeanraster von über 2000 km. GOSAT und GOSAT-2 weisen eine stabile Leistung und hohe Genauigkeit auf und leisten damit einen bedeutenden Beitrag zur globalen Treibhausgasüberwachung.

3. ESA-Satellit Sentinel-5P

Sentinel-5P ist ein globaler Satellit zur Überwachung von Luftschadstoffen, der am 13. Oktober 2017 von der ESA gestartet wurde. Er trägt das technologisch hochentwickelte Atmosphärenüberwachungsspektrometer TROPOMI (Tropopheric Monitor) mit hoher räumlicher Auflösung. Dieses Instrument verfügt über eine Bildstreifenbreite von 2600 km und eine Auflösung von 7 km × 5,5 km, wodurch eine tägliche globale Abdeckung ermöglicht und die räumlich-zeitliche Abdeckung des Satelliten deutlich verbessert wird. TROPOMI ist ein Zeilenspektrometer, das Messungen in drei Hauptspektralbereichen durchführt: dem ultraviolett-sichtbaren Bereich (UVVIS) von 270–495 nm, dem nahen Infrarotbereich (NIR) von 675–775 nm und dem kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) von 2305–2385 nm. TROPOMI nutzt Spektralinformationen im Bereich um 2,3 Mikrometer für die CH4-Inversion und erreicht dabei eine spektrale Auflösung von 0,25 nm und eine Inversionsgenauigkeit von 0,8 %.

4. GMI-Nutzlast des Gaofen-5-Satelliten

△ Schematische Darstellung der Nutzlast von Gaofen-5

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Der im Mai 2018 gestartete Satellit GF-5 ist der Satellit mit der größten Nutzlast und der höchsten spektralen Auflösung unter den großen hochauflösenden wissenschaftlichen und technologischen Projekten meines Landes. Er ist zudem der weltweit erste hyperspektrale Vollspektrum-Satellit, der umfassende Beobachtungen der Atmosphäre und der Landoberfläche ermöglicht. Sein Treibhausgasmonitor (GMI) nutzt räumliche Heterodyn-Spektroskopie mit freier Bandenauswahl und hyperspektraler Auflösung und ist damit das weltweit erste weltraumgestützte Fernerkundungsinstrument für Treibhausgase, das auf dieser Technologie basiert. Das Instrument verfügt über vier Bänder für O₂, CO₂ und CH₄ im Spektralbereich von 0,759–0,769 nm und 1,568–2,058 μm. Der CH₄-Detektionskanal liegt bei 1,642–1,658 μm mit einer spektralen Auflösung von 0,27 cm⁻¹ und dient der Erfassung globaler CH₄-Säulenkonzentrationsdaten.

5. FY-3D-Satellit

△ FY3D GAS Treibhausgasmonitor

Im Januar 2019 startete mein Land seinen neuen, polarumlaufenden Wettersatelliten FY-3D, der mit einem hyperspektralen Treibhausgasmonitor (GAS) für den Nahinfrarotbereich ausgestattet ist. GAS ist Chinas erster interferometrischer Treibhausgassensor im Weltraum. Sein Detektionsverfahren basiert auf spektraler Dispersion mittels Gitter und umfasst zwei Nahinfrarot- und zwei Kurzwelleninfrarotbänder mit Wellenlängen von 0,75–0,77 μm, 1,56–1,72 μm, 1,92–2,08 μm bzw. 2,20–2,38 μm. Die Bänder 2 und 4 können beide zur CH₄-Detektion genutzt werden; ihre Mittenwellenlängen betragen 1,6 μm bzw. 2,3 μm, die spektrale Auflösung 0,27 cm⁻¹.

Satellit zur Punktquellenerkennung

Neben den bereits erwähnten globalen bzw. großflächigen Beobachtungssatelliten hat sich auch die Punktquellenerkennung zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt. In den letzten Jahren haben Satelliten und Sensoren zur Punktquellenerkennung auf Basis hyperspektraler Bildgebung ein explosionsartiges Wachstum erfahren.

1. GHGsat-Satellit

△ GHGSAT WAF-P Monitor

Die GHGSat-Konstellation ist ein Satellitensystem, das von GHGSat Inc. aus Kanada zur globalen Treibhausgasmessung mit hoher räumlicher Auflösung entwickelt wurde und primär auf die Detektion und Quantifizierung von Punktquellen abzielt. Die GHGSat-Konstellation besteht derzeit aus sechs Satelliten: GHGSat-D (Claire), gestartet im Juni 2016; GHGSat-C1 (Iris), gestartet im September 2020; GHGSat-C2 (Hugo), gestartet im Januar 2021; sowie GHGSat-C3 (Luca), C4 (Penny) und C5 (Diako), gestartet im Jahr 2022. Jeder Satellit ist mit einem Weitfeld-Fabry-Perot-Bildspektrometer (WAF-P) ausgestattet, das den kurzwelligen Infrarotbereich von 1630–1675 nm zur CH4-Detektion abdeckt. Die Satelliten der GHGSat-Serie zeichnen sich durch eine räumliche Auflösung von bis zu 25 m und eine XCH4-Inversionsgenauigkeit von 18 × 10⁻⁹ aus, was für die hochpräzise Schätzung von Punktquellenemissionen von großer Bedeutung ist.

2. AHSI-Nutzlast des Gaofen-5-Satelliten

△ Schematische Darstellung der Nutzlast von Gaofen-5

Die Hyperspektralkamera für sichtbares und kurzwelliges Infrarot (AHSI) an Bord des GF-5-Satelliten meines Landes ist ein typisches Beispiel für die Punktquellenerkennung. Sie war der erste hyperspektrale Sensor im Weltraum, der konvexe Gitterspektrophotometrie und eine verbesserte Drei-Konzentrische-Spiegel-Konfiguration (Offner-Konfiguration) nutzte. Sie verfügt über 330 Spektralbänder im Bereich von 0,4–2,5 μm mit spektralen Auflösungen von 5 nm im VNIR- und 10 nm im SWIR-Bereich. Die AHSI hat eine Streifenbreite von 60 km und eine räumliche Auflösung von bis zu 30 m. Mithilfe von Spektralkanälen von 2,11 bis 2,45 μm kann sie die CH₄-Konzentration von Punktquellen mit einer Genauigkeit von 63 × 10⁻⁹ messen.

3. PRISMA-Satellit

PRISMA ist eine hyperspektrale Bildgebungsmission mittlerer Auflösung, die 2008 von der italienischen Raumfahrtagentur (ASI) entwickelt wurde und die Nachfolgemission des eingestellten hyperspektralen Erdbeobachtungssatelliten (HypSEO) antritt. Der am 22. März 2019 gestartete PRISMA-Satellit, der mit einer Hyperspektralkamera (HYC) ausgestattet ist, deckt einen Spektralbereich von 400–2505 nm mit einer spektralen Auflösung von unter 10 nm und einer räumlichen Auflösung von bis zu 30 m ab und liefert hyperspektrale Beobachtungen im sichtbaren, nahinfraroten und kurzwelligen Infrarotbereich. Ähnlich wie AHSI auf dem Satelliten Gaofen-5 nutzt HYC ein Fenster von 2110–2450 nm, um die CH4-Konzentration mit einer Genauigkeit von 149 × 10⁻⁹ zu bestimmen.

4. ENMAP-Satellit

Das Programm „Environmental Mapping and Analysis“ (EnMAP) ist eine deutsche Satellitenmission zur Erfassung hyperspektraler Bilddaten der Erdatmosphäre und -oberfläche. Der gleichnamige Satellit wurde am 1. April 2022 gestartet.

Es ist mit einem Hyperspektral-Imager (HSI) ausgestattet. Dieses Instrument ist ein Zeilenkamerasystem, das den Spektralbereich von 430–2450 nm erfassen kann. EnMAP verfügt über 228 Spektralbänder in den VNIR- und SWIR-Kanälen mit spektralen Auflösungen von 6,5 nm bzw. 10 nm. Die räumliche Auflösung beträgt 30 m, die maximale Streifenbreite 30 km. Der Bereich von 2200–2400 nm kann als Detektionsfenster für CH4 genutzt werden, mit einer Detektionsgenauigkeit von 3–7 %.

5. EMIT-Nutzlast

△ Die EMIT-Nutzlast wird auf der Internationalen Raumstation mitgeführt.

Basierend auf der NASA-Mission „Earth Surface Mineral Dust Source Survey“ (EMIT) wurde die EMIT-Nutzlast am 14. Juli 2022 mit der 25. kommerziellen Versorgungsmission (CRS-25) von SpaceX gestartet und auf der Internationalen Raumstation (ISS) installiert. EMIT ist ein hyperspektrales Bildgebungsspektrometer, das den Spektralbereich von 380–2500 nm mit einem spektralen Abtastintervall von 7,4 nm und einer räumlichen Auflösung von 60 m abdeckt. Dank seines charakteristischen CH₄-Kanals von 2200–2400 nm kann EMIT auch zur globalen CH₄-Punktquellenerkennung eingesetzt werden.

6. MethaneSAT-Satellit

Die von den Vereinigten Staaten und Neuseeland gemeinsam entwickelte MethaneSAT-Mission setzt einen Erdbeobachtungssatelliten namens MethaneSAT ein, dessen Start für 2023 geplant ist. Ihr Hauptziel ist die Beobachtung der Ressourcen der Erde, insbesondere jener, die 80 % der globalen Öl- und Gasproduktion ausmachen.

Die oben genannten Regionen werden einer systematischen Überwachung der CH4-Emissionen unterzogen. Der Satellit MethaneSAT verfügt über eine Streifenbreite von ca. 200 km und eine hohe räumliche Auflösung von 100 m × 400 m, wodurch quantitative Beobachtungen der CH4-Emissionen möglich sind. MethaneSAT ist mit einem Hochleistungsspektrometer ausgestattet, das den Spektralbereich von 1605–1683 nm mit einer spektralen Abtastrate von 0,1 nm, einer spektralen Auflösung von 0,3 nm und einer CH4-Nachweisschwelle von 2 × 10⁻⁹ abdeckt.

Trends in der Methan-Satellitensensorüberwachung

Zukünftig werden Satellitensensoren zur CH4-Detektion weiterhin auf hohe räumliche und zeitliche Auflösung, hohe Präzision, hohe Genauigkeit und integrierte, kontinuierliche Beobachtung hin entwickelt. Da ein einzelner Satellit für die hochpräzise globale CH4-Detektion noch nicht ausreicht, ist der Ausbau von Satellitennetzwerken dringend erforderlich. Beobachtungen mit einem Multi-Satelliten-Netzwerk ermöglichen höhere Wiederholungsraten, Empfindlichkeit und Genauigkeit, eine schnelle globale Abdeckung und verbessern die Fernerkundungsfähigkeiten von atmosphärischen CH4-Satelliten weiter.

Um dem Bedarf an satellitengestützter Überwachung von Kohlenstoffemissionen aus wichtigen Punktquellen gerecht zu werden, werden fortschrittliche Methoden wie das Gaußsche Ausbreitungsmodell eingesetzt. Dieses integriert hochauflösende Windfelddaten mit hochauflösenden Satellitendaten zu Methan-Treibhausgasen, um ein umfassendes System zur Überwachung und Simulation von Punktquellenemissionen zu etablieren. Das System ermöglicht die dynamische Simulation der Treibhausgasausbreitung, die hochpräzise Schätzung von Punktquellenemissionen mithilfe satellitengestützter atmosphärischer Treibhausgasdaten und die operative Einsatzfähigkeit.