3D-Infrarotkamera jagt nach Klimagasen in der Atmosphäre

Kohlendioxid, Methan und Ozon. Diese drei Treibhausgase sind die Hauptverursacher der beginnenden Erderwärmung. Dass die enorme Zunahme dieser Gase in der Atmosphäre auf den Menschen zurückgeht, ist wissenschaftlich eindeutig erwiesen. Für Forscher gibt es aber dennoch ein Problem: die mittlere Atmosphäre zwischen zehn und hundert Kilometer, wo die schädlichen Gase besonders stark das Klima beeinflussen, ist nur schwer mit herkömmlichen Messinstrumenten zu beobachten.

Grenzen der Technik

Forschungsflugzeuge erreichen kaum Höhen jenseits von zehn Kilometer und können wie Ballons zudem nur lokal Daten sammeln. Wettersatelliten wiederum können sich zwar schnell einen globalen Überblick verschaffen, haben es mit ihrem Blick von oben aber schwer, die Atmosphäre dreidimensional zu erfassen. Genau das wäre aber notwendig, um die Ausbreitung und Konzentration klimarelevanter Gase in den höheren Luftschichten genau zu erfassen und die Prozesse dort besser zu verstehen.

Das deutsche Satellitenprojekt AtmoSat, das federführend vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Forschungszentrum Jülich entwickelt wird, soll das in naher Zukunft ändern. „Die Auswirkungen der mittleren Atmosphäre sowohl auf das Wetter als auch auf das Klima wurden lange völlig unterschätzt. Der Einfluß der Treibhausgase auf die globale Erwärmung ist in diesen Höhen viel stärker als in den bodennahen Luftschichten“, erklärt Johannes Orphal vom KIT im Gespräch mit der futurezone.

Infrarot spürt Gase auf

Mit dem neuen Satelliten wollen die Forscher besser verstehen, wie und wo vom Menschen erzeugte Treibhausgase oben ankommen und sich anschließend verteilen. Technologisch kommt dafür eine hochmoderne Infrarotkamera zum Einsatz, die mit fast 100.000 Pixeln Auflösung erstmals dreidimensionale Aufnahmen der Spurengase in der Atmosphäre erstellen kann. Diese sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen, werden aber mittels Infrarot sichtbar, da sie ständig Wärmestrahlung absorbieren und emittieren.

Um die verschiedenen Gase voneinander unterscheiden zu können – auch Wasserdampf, Lachgas, Ammoniak und diverse Stickstoff- und Chlorverbindungen werden gemessen – wird der Infrarot-Detektor mit einer optomechanischen Vorrichtung kombiniert, einem sogenannten Interferometer. Dieser ermöglicht die bildliche, spektrale Trennung der diversen Gase, da diese bei unterschiedlichen Wellenlängen (Farben) im Infrarot strahlen.

Erprobter Sensor

Das laut Orphal bisher weltweit einzigartige Messinstrument namens GLORIA ist bereits auf Forschungsflugzeugen im Einsatz. Spätestens 2025 soll es dann auf einem Satelliten in 800 Kilometer Höhe bei Tag und Nacht die Erde überfliegen und die Atmosphäre in drei Tagen komplett in 3D ablichten.

„Damit kann man mehr Daten als mit 100 Flugzeugen sammeln, und das rund um die Uhr. Diese Technik ist für uns genau so revolutionär wie seinerzeit der Umstieg von einem zweidimensionalen Röntgenbild auf tomografische Aufnahmen in der Medizin“, erklärt Orphal.

Klimawandel "erst am Anfang"

Die Atmosphäre und die dort stattfindenden Prozesse seien mit einem lebenden Organismus zu vergleichen. Um die Klimakrise besser zu verstehen und Gegenmaßnahmen und deren Wirksamkeit analysieren zu können, brauche man derartige Werkzeuge wie GLORIA und AtmoSat jetzt mehr denn je.

„Was in der derzeitigen Debatte oft vergessen wird: wir befinden uns ja erst ganz am Anfang des menschgemachten Klimawandels. Die größten Effekte werden erst in zehn oder fünfzehn Jahren schlagend werden. Wir müssen daher schnell handeln und vor allem besser verstehen, welche Prozesse in der Atmosphäre was genau bewirken.“

Eingriff mittels Geoengineering

Auch hinsichtlich kontrovers diskutierter Überlegungen, die Klimaerwärmung mittels Geoengineering zu bekämpfen, steht es für den Physiker außer Frage, dass man dafür 3D-Messinstrumente wie AtmoSat brauche. „Natürlich kann man versuchen, ähnlich einem Vulkanausbruch Schwefel-Aerosole als Sonnenschutz in die Atmosphäre einzubringen. Wenn man das als Menschheit machen will, muss es aber absolut kontrolliert und überwacht ablaufen. Sonst wird das Risiko völlig unabschätzbar“, sagt Orphal.

Dass Forschungsprojekte wie AtmoSat nicht zuletzt durch politische Verzögerungen in Deutschland noch ein paar Jahre auf sich warten lassen, dürfe allerdings keine Entschuldigung für Handlungsträger sein, nicht sofort Maßnahmen gegen die Klimakrise zu setzen.

Menschengemachte Klimakrise

„Auch wenn wir die Wirkungen der Spurengase auf die Klimaentwicklung im Detail nicht restlos verstehen: dass unsere enormen Ausstöße von  und Methan hauptverantwortlich für die globale Klimaerwärmung sind, steht wissenschaftlich völlig außer Frage. Ursache und Wirkung sind ganz eindeutig miteinander verknüpft“, erklärt Orphal.

Nun müsse alles daran gesetzt werden, über den Einsatz neuer Technologien im Verkehr und Transport, in der Industrie und Landwirtschaft, aber auch bei der Wärmedämmung von Gebäuden und damit einhergehenden Energieeinsparungen die Treibhausgasemissionen einzuschränken. Auch Erneuerbare Energien müssten viel stärker ausgebaut werden, ist der Atmosphärenforscher überzeugt.  

Dass die notwendigen Maßnahmen sozial verträglich durchgeführt werden müssen, sei ebenfalls wichtig, um die Bevölkerung mitzunehmen. Dies sei aber auch eine enorme Chance für die wirtschaftliche Entwicklung.

Fridays For Future

Beim Kampf gegen die Klimakrise ortet Orphal mittlerweile viel Druck aus der Bevölkerung auf die Politik und Wissenschaft, wie auch das Engagement in „Fridays for Future“ verdeutliche. „Die Menschen werden unruhig, weil scheinbar nichts gemacht wird. Und weil sie wissen, dass es jetzt einen enormen Unterschied macht, ob wir noch einmal fünf oder zehn Jahre tatenlos zuwarten. Je früher die Emissionen reduziert werden, desto besser“, sagt Orphal im futurezone-Interview.