Forscher revolutionieren Klimabeobachtung

Eine Revolution in der Messung von Treibhausgasen ist Grazer Forschern gelungen. Sie haben eine Methode entwickelt, die es erstmals ermöglicht, Treibhausgaskonzentrationen in der freien Atmosphäre langfristig und äußerst genau weltweit zu messen. Gleichzeitig liefert das System auch exakte Daten zu Temperatur, Druck, Feuchte und Wind.

Das neue Verfahren könnte zur Referenzmethode für das Monitoring des Klimawandels in der freien Atmosphäre im 21. Jahrhundert werden, schreiben die Wissenschaftler in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Geophysical Research Letters“.

Charakteristische Absorptionslinien

Die Methode beruht auf Messungen mit Hilfe von Mikrowellen- und Infrarotlaser-Signalen. Bei der so genannten Mikrowellen- und Infrarotlaser-Okkultation senden eigene Sender-Satelliten Signale aus, die von Empfänger-Satelliten aufgefangen werden. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre werden die Signale gebrochen und teilweise absorbiert, so dass sie gedämpft beim Empfänger ankommen.

Und hier machen sich die Forscher um Professor Gottfried Kirchengast vom Wegener Zentrum der Universität Graz unveränderliche quantenmechanische Eigenschaften der Gase zunutze: „Die verschiedenen Treibhausgase – wie Kohlendioxid (CO2), Methan, Lachgas, Ozon und Wasserdampf – absorbieren die Infrarotlaser-Signale auf ganz bestimmten Wellenlängen stark und dazwischen fast gar nicht. Jedes Gas hat ganz charakteristische Absorptionslinien“, erklärt Kirchengast.

Von der Idee zur Realität

Bei Wahl der richtigen Linien für Absorptions-Signale lässt sich dann die jeweilige Konzentration der Gase und auch die Windstärke bestimmen. Daten zu Temperatur, Druck und Feuchte werden über die Signale der Mikrowellen- Okkultation gewonnen, bei deren Entwicklung die Grazer Forscher auch international führend mitwirken. „Alle diese Daten weisen eine Qualität auf, die selbst ausgesuchte Bodenstationen mit rein lokaler Messung schwer erreichen“, betont Kirchengast.

Kirchengast hatte die Idee bereits Ende 2004 – zunächst nur eine faszinierende Hypothese. Seitdem leitet er die Forschung in einem immer größer werdenden internationalen Team. Susanne Schweitzer war beispielsweise im Rahmen ihrer Dissertation entscheidend an der Umsetzung der Idee zur realisierbaren Methode beteiligt. Die junge Forscherin hat unter anderem herausgefunden, welche Absorptionslinien für die Infrarotlaser-Okkultation überhaupt in Frage kommen. „Im möglichen Bereich im Kurzwellen-Infrarot gibt es über hunderttausend Linien, jedoch nur wenige Dutzend waren letztlich geeignet“, so Schweitzer.

Globales Klima-Monitoring

Klima-Monitoring der ganzen Erde ist nur mit Hilfe von Satelliten möglich. Bisher konnten in der freien Atmosphäre, die etwa zwei bis drei Kilometer über der Oberfläche beginnt, nur Temperatur und Druck mit vergleichbarer Qualität gemessen werden, und zwar mittels GPS Radio-Okkultation. Für die weltweite Beobachtung weiterer Klimagrößen und vor allem der Treibhausgase gab es jedoch kein geeignetes System. Derzeit basieren einschlägige Daten auf punktuellen Messungen aus Ballons oder Flugzeugen sowie auf Modellberechnungen und vergleichsweise ungenauen Satellitendaten.

Die Mikrowellen- und Infrarotlaser-Okkultation lässt den Forschern zufolge durch die Möglichkeit der hochgenauen und gleichzeitig modellunabhängigen Beobachtung auf weitreichende neue Erkenntnisse zum Klimawandel hoffen. (Geophysical Research Letters, 2011; doi:10.1029/2011GL047617)

(Universität Graz, 07.07.2011 – DLO)