Methanüberwachungssatelliten – ein neuer Schwerpunkt in der Treibhausgasüberwachung

Das Funktionsprinzip von Methanüberwachungssatelliten besteht darin, die Gesamtmenge an Methan durch Analyse der spektralen Absorption von Methan bei verschiedenen Wellenlängen zu bestimmen. Die Fernerkundung erfasst die Methanmenge in einer Luftsäule vom Satelliten bis zum Boden und dient hauptsächlich der Gewinnung genauer, räumlich und zeitlich kontinuierlicher Daten zur bodennahen atmosphärischen CH4-Konzentration.

Die frühe CH4-Detektion aus dem Weltraum nutzte hauptsächlich den thermischen Infrarotbereich. Da die Emissionsstrahlung der Erdoberfläche und der bodennahen Atmosphäre im thermischen Infrarotbereich jedoch ähnlich ist, lassen sich beide anhand des Spektrums nur schwer unterscheiden. Daher reagiert der thermische Infrarotbereich nicht empfindlich auf Änderungen der CH4-Konzentration in der bodennahen Atmosphäre und erfüllt nicht die Anforderungen an die Detektion bodennaher Emissionsprozesse im Rahmen des Ziels zur Reduzierung der CH4-Emissionen.

Im Vergleich dazu enthält das kurzwellige Infrarotspektrum CH4-Absorptionssignale und Oberflächenreflexionssignale mit signifikanten Unterschieden in ihren Eigenschaften. Laut einer Sensitivitätsanalyse der CH4-Säulenkonzentration relativ zum CH4-Profil reagiert der kurzwellige Infrarotbereich sehr empfindlich auf Änderungen des bodennahen atmosphärischen CH4 und eignet sich daher besser zur Überwachung von CH4-Emissionsprozessen.

Aktueller Stand des Starts des Methanüberwachungssatelliten

△Zusammenfassung der Leistung der CH4-Satelliten, die ihre Mission abgeschlossen haben oder sich noch im Orbit befinden

In den letzten Jahren wurden mit der rasanten Entwicklung der satellitengestützten Kurzwellen-Infrarot-Detektionstechnologie für Methan (CH4) zahlreiche Kurzwellen-Infrarot-Detektionssatelliten im In- und Ausland gestartet, um eine Reihe von Studien zur Methan-Detektion und verwandten Anwendungen durchzuführen. Dies hat die Entwicklung von Inversionsalgorithmen für die Methan-Satellitenfernerkundung und die Flussinversion effektiv gefördert und eine technische Grundlage für die Verbesserung der Weltraumforschung, die Erstellung von Datenprodukten und deren direkte Anwendung geschaffen. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotenzial der Kurzwellen-Infrarot-Detektion für die globale Abschätzung des Methan-Quellen-Senken-Gleichgewichts hinsichtlich der Genauigkeit der Detektionsdaten und der Flussabschätzung aufgezeigt.

Datenerfassung für Methanüberwachungssatelliten

△Aktueller Stand und Planung von Treibhausgasüberwachungssatelliten im In- und Ausland: Grün kennzeichnet Methanüberwachung

Die Gewinnung präziser, satellitengestützter CH4-Detektionsdaten erfordert hochpräzise Inversionsalgorithmen für die CH4-Satellitenfernerkundung. Die Qualität der satellitengestützten CH4-Datenprodukte hängt üblicherweise von der Auswahl der Detektionsinstrumente und der Inversionsparameter ab.

Die Detektion von kurzwelligem Infrarot (SIR) bietet den Vorteil, empfindlich auf Änderungen der CH4-Konzentration in Bodennähe zu reagieren. Allerdings wird ihr Absorptionsspektrum leicht durch atmosphärische und Oberflächenparameter wie Störgase, Temperatur, Wolken und Aerosole beeinflusst, was zu erheblichen Fehlern führt. Ziel hochpräziser Inversionsalgorithmen ist es, den Einfluss dieser Störfaktoren zu reduzieren und die Konzentrationsinformation des Zielgases aus den verbliebenen Spektraldaten zu extrahieren. International wurden verschiedene satellitengestützte Fernerkundungs-Inversionsmethoden für Treibhausgase mithilfe der Satelliten SCIAMACHY und GOSAT entwickelt. Zu den am weitesten verbreiteten Methoden zählen der Inversionsalgorithmus mit physikalischen Modellen, die Proxy-Inversionsmethode und die WFM-DOAS-Inversionsmethode.

Physikbasierte Inversionsalgorithmen nutzen Vorwärtsmodelle zur Simulation des atmosphärischen Strahlungstransports von Signalen. Dadurch werden Fehler aufgrund von Streuung während des Strahlungstransports und Unsicherheiten im optischen Pfad deutlich reduziert. Typischerweise weisen diese Algorithmen eine hohe Inversionsgenauigkeit auf. Proxy-Algorithmen verwenden üblicherweise stabile atmosphärische Komponenten wie CO₂ als Repräsentanten, um den Einfluss von Wolken und Aerosolen auf den optischen Pfad im CH₄-Detektionsband zu korrigieren und so effektive CH₄-Konzentrationsinformationen zu extrahieren. Der WFM-DOAS-Algorithmus, basierend auf der klassischen differentiellen Absorptionsspektroskopie, verwendet eine Gewichtungsfunktion der Gesamtmenge der Zielgassäule, um den Absorptionsquerschnitt bei der Anpassung des differentiellen Absorptionsspektrums zu ersetzen.

Methanüberwachung: Zukünftige Entwicklungstrends

△Methanemissionen aus verschiedenen Quellen in China in verschiedenen Monaten

Aufbauend auf den bestehenden technischen Möglichkeiten von Satellitenmissionen zur CH4-Detektion ist es zur Deckung des Detektions- und Forschungsbedarfs auf verschiedenen Skalen erforderlich, ein Satellitenkonstellationssystem zu entwickeln. Dieses ermöglicht die kollaborative Detektion mittels einer Kombination aus aktiven und passiven Methoden sowie aus hohen und niedrigen Umlaufbahnen. Die zukünftige globale CH4-Detektion mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung wird primär durch Satellitennetzwerke realisiert. Durch die umfassende Nutzung der Detektionsergebnisse mehrerer Satelliten wird eine wissenschaftliche Grundlage für die Bewertung der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Emissionsreduktion im Zusammenhang mit Klimaneutralität sowie für globale Kohlenstoffbilanzpläne geschaffen.

Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics CAS Aerospace Science and Technology Group Co.,LTD：als erstes Unternehmen eine kommerzielle Konstellation von Fernerkundungssatelliten zur Überwachung von Kohlenstoffemissionen einsetzen

Aufbauend auf den bestehenden Erkenntnissen und nach umfassender Marktforschung sowie Nutzeranalysen hat CAS Xiguang Aerospace in China eine Vorreiterrolle eingenommen, indem es ein kommerzielles Satellitenkonstellationsprojekt zur Überwachung von Kohlenstoffquellen und -senken auf Basis hochauflösender Spektraldetektionstechnologie gestartet hat. Das Unternehmen entwickelte Chinas ersten kommerziellen Methan-Überwachungssatelliten – XIGUANG-004 –, der die Konzentrationen wichtiger Treibhausgase messen kann. Dieser Fernerkundungssatellit zur Überwachung von Kohlenstoffquellen und -senken ist mit einem Methankonzentrationsdetektor, einem Chlorophyllfluoreszenzdetektor und einer Multispektralkamera ausgestattet. Er verfügt über verschiedene Betriebsmodi, um den vielfältigen Bedürfnissen der Nutzer gerecht zu werden, die eine Überwachung von Kohlenstoffquellen und -senken mittels Satellitenfernerkundung anstreben.

Der Methankonzentrationsdetektor erreicht eine spektrale Auflösung von 0,1 nm und ermöglicht die quantitative Bestimmung der Methansäulenkonzentration sowie deren Quantifizierung über einem Zielort. Der Chlorophyllfluoreszenzdetektor zeichnet sich durch eine spektrale Auflösung von bis zu 0,5 nm aus und erfasst so selbst geringfügige Veränderungen im Fluoreszenzspektrum während der Chlorophyll-Photosynthese. Dies ermöglicht die Bewertung der Gesamtproduktivität der Pflanzen und liefert wichtige Erkenntnisse für den Kohlenstoffhandel. Die Multispektralkamera arbeitet in acht Spektralbändern des sichtbaren Lichts mit einer Bodenauflösung von 10 m. Sie verfügt über eine große Apertur und ein geringes Gewicht und dient primär der Erfassung spektraler und räumlicher Bilder von Bodenstrukturen.

Der 60 kg schwere Satellit kann einen wichtigen Beitrag zur Fernerkundung von Kohlenstoffspeichern und -senken leisten und das Potenzial natürlicher Vegetation und künstlicher Anlagen zur Kohlenstoffneutralität bewerten. Er ermöglicht hochfrequente, umfangreiche und flächendeckende Beobachtungen globaler Kohlenstoffemissionen und -senken und übernimmt eine Vorreiterrolle in der Entwicklung kommerzieller Kohlenstoffsatelliten in China.

△Globale Methanemissionen nach Sektoren, 1970–2018

Angesichts der dringlichen globalen Klimakrise ist die Reduzierung der CH4-Emissionen eine notwendige Maßnahme zur Eindämmung der Erderwärmung und zur Erreichung der Klimaneutralität. Satellitenfernerkundung liefert hochauflösende Daten zur globalen CH4-Konzentration und verbessert so die Datenbasis für die räumlich-zeitliche Dynamiküberwachung von CH4, die CH4-Bilanzierung und die Bewertung von Emissionsreduktionsmaßnahmen erheblich. Sie dient zudem als Grundlage für die Bewältigung des zukünftigen Klimawandels.

Einige Inhalte dieses Artikels stammen aus folgenden Quellen:

Atmosphärenwissenschaften IAP

Analyse des aktuellen Status und der Entwicklungstrends von atmosphärischen Methanbeobachtungssatelliten mit dem Ziel der Klimaneutralität und der Reduzierung des CO₂-Ausstoßes in meinem Land

Yao Lu, Yang Dongxu, Cai Zhaonan, Zhu Sihong, Liu Yi, Deng Jianbo, Tian Longfei, Yin Zengshan, Lu Naimeng

Weltraumrückkehr und Fernerkundung, Stimme der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

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