Kurzwellige Infrarot-Weltraumdetektionstechnologie für CH4: Wissenschaftliche und technologische Unterstützung für Chinas Strategie der kohlenstoffarmen und nachhaltigen Entwicklung.

Der sechste integrierte Sachstandsbericht des Weltklimarats (IPCC) vom März 2023 belegt, dass die globale Oberflächentemperatur von 2011 bis 2020 um 1,1 °C über dem vorindustriellen Niveau (1850–1900) lag. Treibhausgasemissionen aus menschlichen Aktivitäten wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Landnutzung haben unbestreitbar zur globalen Erwärmung beigetragen. In den letzten Jahren sind extreme Wetter- und Klimaereignisse wie Hitzewellen, Dürren und Starkregen häufiger und intensiver geworden und stellen eine ernsthafte Herausforderung für die nachhaltige Entwicklung der zukünftigen menschlichen Gesellschaft dar. Die genaue Überwachung von Treibhausgaskonzentrationen, -quellen und -trends ist grundlegend für die Statistik und Bilanzierung von Treibhausgasemissionen. Im Vergleich zu herkömmlichen bodengestützten Messmethoden bietet die Satellitenfernerkundung einzigartige Vorteile wie hohe Auflösung, große Abdeckung, kurze Wiederholungsintervalle und kontinuierliche dynamische Daten. Sie liefert hochpräzise und grundlegende Daten für die globale, nationale und regionale Treibhausgasüberwachung.

△Globale anthropogene Methanemissionen und der Anteil der Methanemissionen der wichtigsten Länder, 1970–2021

Die Technologie zur weltraumgestützten CH4-Detektion im kurzwelligen Infrarotbereich entwickelt sich rasant.

Um Informationen über die räumliche und zeitliche Verteilung und Variation der bodennahen CH4-Konzentration zu gewinnen, hat sich die Technologie zur weltraumgestützten CH4-Detektion mittels kurzwelliger Infrarotstrahlung in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Zahlreiche Satelliten zur kurzwelligen Infrarotdetektion wurden im In- und Ausland gestartet und führten eine Reihe von Studien zur CH4-Detektion und verwandten Anwendungen durch, wodurch die weltraumgestützte CH4-Detektion ermöglicht wurde. Die in diesem Zeitraum gestarteten wissenschaftlichen Experimentalsatelliten förderten die Entwicklung von Inversionsalgorithmen für die CH4-Satellitenfernerkundung und Flussinversionsalgorithmen und legten damit die technologische Grundlage für die Verbesserung der weltraumgestützten Detektionsfähigkeiten, die Erzeugung von Datenprodukten und deren direkte Anwendung. Darüber hinaus demonstrierten sie das Anwendungspotenzial der kurzwelligen Infrarotdetektion für die globale Abschätzung des CH4-Quellen-Senken-Gleichgewichts hinsichtlich der Genauigkeit der Detektionsdaten und der Flussabschätzung.

Die meisten bestehenden CH4-Detektionssatelliten konzentrieren sich auf wissenschaftliche CH4-Detektionsexperimente im kurzwelligen Infrarotbereich und haben damit einen Durchbruch in der CH4-Detektion im kurzwelligen Infrarot erzielt. Basierend auf diesen Satellitenmessungen haben sich die CH4-Detektionstechnologie im kurzwelligen Infrarotbereich, Inversionsalgorithmen und Flussassimilationsalgorithmen rasant weiterentwickelt. Die daraus resultierende Reife und Anwendung dieser Algorithmen hat höhere Anforderungen an die räumliche und zeitliche Abdeckung sowie die Datengenauigkeit der satellitengestützten CH4-Detektion gestellt. Um den Datenbedarf der wissenschaftlichen Forschung zu decken, befinden sich derzeit mehrere CH4-Detektionssatelliten in der Planungsphase und werden zukünftig die Flotte satellitengestützter Detektionssysteme ergänzen.

Entwicklungstrends von weltraumgestützten CH4-Detektionssystemen

Um den strategischen Anforderungen der globalen Kohlenstoffbilanzierung und Klimaneutralität gerecht zu werden und die beiden zentralen wissenschaftlichen Fragen der dynamischen Überwachung von CH4-Emissionen und der Abschätzung des CH4-Flusses auf verschiedenen Skalen zu beantworten, müssen CH4-Detektionssatelliten Informationen über CH4-Konzentrationsänderungen auf lokaler bis regionaler Ebene liefern und dabei zwischen Quellen und Senken unterscheiden. Das Globale Klimabeobachtungssystem (GCOS) schlägt vor, dass spezifische Missionsziele für die Treibhausgas-Satellitenmessung eine räumliche Auflösung von 5–10 km, eine zeitliche Auflösung von 4 Stunden und eine CH4-Detektionsgenauigkeit von 10 ppb erreichen sollten. Angesichts der aktuellen technischen Möglichkeiten von CH4-Detektionssatellitenmissionen kann ein einzelner Satellit mit einer einzigen Detektionsmethode keine globale Detektionsmission durchführen, und Satelliten mit unterschiedlichen Detektionsmethoden verfolgen unterschiedliche Ziele. Um den Bedarf an Detektion und Forschung auf verschiedenen Skalen zu decken, ist der Aufbau eines Konstellationssystems für die koordinierte Detektion mittels einer Kombination aus aktiven und passiven Detektionsmethoden sowie Ansätzen aus hohen und niedrigen Erdumlaufbahnen erforderlich. Durch die umfassende Anwendung der Detektionsergebnisse mehrerer Satelliten kann die wissenschaftliche Grundlage für die Bewertung der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Emissionsreduktion im Zusammenhang mit Klimaneutralität und für globale Kohlenstoffbilanzierungspläne geschaffen werden. Hochpräzise Detektionsergebnisse basieren primär auf hochauflösenden Spektraldaten mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis. Bisherige Forschungsergebnisse zeigen, dass die Genauigkeit der mit dem rein physikalischen Inversionsalgorithmus gewonnenen XCH4-Datenprodukte innerhalb von 10 ppb gehalten werden kann, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis im kurzwelligen Infrarotbereich besser als 300 und die spektrale Auflösung besser als 0,1 nm ist.

Die Beobachtung mittels Satellitennetzwerken ist derzeit ein effektives Mittel zur effizienten globalen Detektion. Aufgrund der unterschiedlichen Detektionseigenschaften verschiedener Satellitentypen stellt die Planung des Betriebs jedes einzelnen Satelliten zur Maximierung seiner Detektionskapazitäten und zur Erreichung einer globalen räumlich-zeitlichen Abdeckung für die CH4-Detektion eine komplexe Herausforderung dar. Im Rahmen der Beobachtung mittels Satellitennetzwerken werden geostationäre Satelliten zur Überwachung wichtiger globaler Regionen auf kontinentaler Ebene eingesetzt, während sonnensynchrone Satelliten im Routine- und Zielmodus wiederholte Messungen in emissionssensiblen Gebieten durchführen. In Kombination mit der aktiven Detektion mittels Lidar entsteht ein flächendeckendes und hochpräzises satellitengestütztes Detektionsnetzwerk, das genaue globale räumlich-zeitliche Detektionsdaten für die CH4-Budgetabschätzung und die Emissionsüberwachung liefert.

Entwicklungstrends von hochpräzisen CH4-Inversionsalgorithmen für Weltraummissionen

Um hochpräzise Inversionsergebnisse zu erzielen, benötigen physikalische Algorithmen mehrfache Berechnungen des atmosphärischen Strahlungstransports, was erhebliche Rechenzeit und -ressourcen beansprucht. Zukünftige Satellitenmissionen zur CH4-Detektion werden große Mengen an Spektraldaten sammeln. Die Verarbeitung dieser Datenmengen und die Ermöglichung des operationellen Satellitenbetriebs erfordern eine verbesserte Effizienz der Dateninversion; daher sind schnelle und genaue Inversionsberechnungen kritische Punkte, die dringend gelöst werden müssen. Da Inversionsalgorithmen typischerweise relativ einfache Modelle verwenden, um den Berechnungsprozess zu vereinfachen und Modellfehler einzuführen, variiert die Genauigkeit der Inversionsdatenprodukte erheblich unter verschiedenen Oberflächen- und Atmosphärenbedingungen. Studien zur Genauigkeit von XCH4, die mit verschiedenen Inversionsalgorithmen gewonnen wurden, zeigen zudem, dass XCH4-Ergebnisse für eisbedeckte Oberflächen oft signifikante Abweichungen aufweisen, die wahrscheinlich mit dem Inversionssystem selbst zusammenhängen. Dies erfordert die Aktualisierung und Optimierung des Oberflächenreflexionsmodells innerhalb des Inversionssystems. Aufgrund der geringen Albedo der Meeresoberfläche ist die CH4-Detektion über dem Ozean immer noch mit erheblichen Fehlern behaftet, was zu einer signifikanten Unsicherheit bei der Abschätzung der Luft-Meer-Austauschprozesse und des ozeanischen CH4-Flusses führt. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass marine CH4-Emissionen hauptsächlich aus küstennahen Flachwassergebieten stammen. Die genaue Bestimmung der CH4-Konzentrationsverteilung in Küstennähe ist entscheidend für die Verbesserung der Abschätzung des marinen CH4-Flusses. Daher sind die Weiterentwicklung und Verbesserung von Satellitenfernerkundungsmethoden zur Messung von CH4 in Küstennähe besonders wichtig.

Zukünftig wird die globale CH4-Detektion mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung primär durch Satellitennetzwerke erfolgen. Die Detektorleistung verschiedener Satellitentypen kann erheblich variieren, unter anderem hinsichtlich räumlicher und zeitlicher sowie spektraler Auflösung und Signal-Rausch-Verhältnis. Unterschiedliche Inversionsalgorithmen verwenden zudem verschiedene Fehler- und Unsicherheitsbewertungsverfahren, was die Kreuzvalidierung von Datenprodukten und deren umfassende Anwendung in Studien wie der Flussabschätzung einschränkt. Um den Datenbedarf der satellitengestützten CH4-Detektion im Sinne der Klimaneutralität zu decken, ist ein standardisiertes System zur Bewertung der Datenqualität erforderlich, das eine wissenschaftliche Grundlage für die umfassende Anwendung satellitengestützter Detektionsdaten bietet.

Entwicklungstrend der CH4-Flussinversion

Die auf Datenassimilation basierende CH4-Flussinversion ist eine entscheidende Methode zur Validierung von CH4-Emissionsinventaren. Sie nutzt primär atmosphärische CH4-Konzentrationsdaten aus bodengebundenen und Satellitenbeobachtungen in Kombination mit globalen und regionalen atmosphärischen chemischen Transportmodellen zur Emissionsschätzung. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die CH4-Flüsse in tropischen Feuchtgebieten stärker sind als bisher angenommen und das Auftauen des Permafrosts in hohen Breiten die CH4-Freisetzung beschleunigt hat; beide Regionen liefern wichtige Rückkopplungsinformationen zum Klimawandel. Aufgrund der geringen Detektionseffizienz aktueller Satelliten im lokalen Maßstab und der geringen Dichte bodengebundener Messstationen ist die Menge an effektiven Beobachtungsdaten für diese wichtigen CH4-Quellregionen jedoch stark unzureichend, was zu erheblichen Unsicherheiten bei der Flussschätzung führt. Die Kombination der Vorteile einer breiten Satellitenabdeckung und der hohen Genauigkeit bodengebundener Daten kann eine solide Datengrundlage für die präzise Schätzung regionaler CH4-Flüsse schaffen. Darüber hinaus weisen aktuelle, grobmaschige atmosphärische Transportmodelle erhebliche Fehler in der räumlichen Skala, den Transportprozessen und den Simulationen chemischer Mechanismen auf. Dies führt zu beträchtlichen Diskrepanzen zwischen den Ergebnissen der CH4-Flussinversion und den tatsächlichen Beobachtungen und schränkt unser Verständnis der CH4-Quellen-Senken-Verteilung stark ein. Um die Anforderungen an Flussberechnungen auf lokaler bis nationaler Ebene zu erfüllen, sollten atmosphärische Transportmodelle Multi-Modell-Ansätze etablieren, die globale, mesoskalige, urbane und punktuelle Quellenskalen berücksichtigen, Fehlerkorrekturverfahren entwickeln, eine genaue Schätzung der CH4-Flüsse auf verschiedenen Skalen ermöglichen und die Überprüfung von Emissionsinventaren auf verschiedenen räumlichen Skalen unterstützen.

Die Emissionsreduzierung in Branchen wie der Petrochemie und der Öl- und Gasindustrie ist ein entscheidender Weg zur Klimaneutralität. Die dynamische Überwachung und Quantifizierung von CH4 mittels hochauflösender, räumlich und zeitlich aufgelöster Satellitendetektion erfordert schnelle Methoden zur Identifizierung von CH4-Wolken und zur Emissionsschätzung. Aufgrund der begrenzten Rechenleistung von Inversionsalgorithmen ist die schnelle Extraktion von Emissionsanomalien bei der kurzwelligen Infrarotdetektion von CH4-Wolken derzeit nicht möglich. Die Kombination von Mehrbanddetektion und neuronalen Netzen zur Analyse der spektralen Eigenschaften der Detektion kann die Identifizierung von CH4-Wolken und die Emissionsschätzung jedoch beschleunigen. Darüber hinaus wird die Emissionsschätzung von CH4-Wolken maßgeblich durch Unsicherheiten in der regionalen Windgeschwindigkeit und -richtung beeinflusst. Die weitere Verfeinerung des Modells und die Reduzierung der Unsicherheiten im Modell, im Windfeld und in den Satellitenbeobachtungsdaten sind daher dringende und wichtige Lösungsansätze.

Derzeit gibt es in China vergleichsweise wenige Satelliten und entsprechende Forschungsarbeiten zur CH4-Detektion. Als grundlegendes Instrument zur Unterstützung wissenschaftlicher Schlussfolgerungen ist die satellitengestützte Detektion eng mit den Fortschritten bei der Erreichung der Klimaneutralitätsziele und Chinas Einfluss in internationalen Verhandlungen verknüpft. Daher ist es notwendig, die Kapazitäten zur satellitengestützten CH4-Detektion auszubauen, um eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung sowie eine hohe Präzision bei der dreidimensionalen Überwachung der atmosphärischen CH4-Konzentration zu erreichen. Zudem muss ein Satellitenanwendungssystem entwickelt werden, das Detektion, Datenerfassung und -analyse integriert, um Chinas Strategie für eine kohlenstoffarme und nachhaltige Entwicklung technologisch zu unterstützen.

Inhaltsquelle:

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