Zum ersten Mal haben Forscher kurzfristige, regionale Schwankungen des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2) rund um den Globus aufgrund von Emissionen durch menschliche Aktivitäten entdeckt.
Unter Verwendung einer Kombination aus NASA-Satelliten und atmosphärischer Modellierung führten die Wissenschaftler eine einzigartige Detektion von Änderungen der menschlichen CO2-Emissionen durch. Die neue Studie verwendet Daten des Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) der NASA, um den Rückgang der CO2-Emissionen während der COVID-19-Pandemie aus dem Weltraum zu messen. Da die täglichen und monatlichen Datenprodukte jetzt öffentlich verfügbar sind, eröffnet dies neue Möglichkeiten, die kollektiven Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die CO2-Konzentration nahezu in Echtzeit zu verfolgen.
Frühere Studien untersuchten die Auswirkungen von Lockdowns zu Beginn der Pandemie und stellten fest, dass die globalen CO2-Werte im Jahr 2020 leicht gesunken sind Team konnte auf regionaler Ebene eingrenzen, welche monatlichen Veränderungen auf menschliche Aktivitäten und welche auf natürliche Ursachen zurückzuführen sind. Dies bestätigt frühere Schätzungen, die auf wirtschaftlichen und menschlichen Aktivitätsdaten basieren.
Die Messungen des Teams zeigten, dass auf der Nordhalbkugel der vom Menschen verursachte Anstieg der CO2-Konzentration von Februar bis Mai 2020 zurückging und sich im Sommer wieder erholte, was mit einem Rückgang der globalen Emissionen um 3 % bis 13 % für das Jahr übereinstimmt.
Die Ergebnisse stellen einen Sprung nach vorne für Forscher dar, die regionale Auswirkungen des Klimawandels untersuchen und die Ergebnisse von Minderungsstrategien verfolgen, sagte das Team. Die Methode ermöglicht die Erkennung von Änderungen des atmosphärischen CO2 nur ein oder zwei Monate nach ihrem Auftreten und liefert schnelle, umsetzbare Informationen darüber, wie sich menschliche und natürliche Emissionen entwickeln.
Erkennen subtiler Veränderungen in der Erdatmosphäre
Kohlendioxid (CO2) ist ein in der Atmosphäre vorhandenes Treibhausgas, und seine Konzentration ändert sich aufgrund natürlicher Prozesse wie der Atmung von Pflanzen, dem Austausch mit den Weltmeeren und menschlichen Aktivitäten wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Entwaldung. Seit der industriellen Revolution ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre um fast 49 % gestiegen und hat 2013 zum ersten Mal in der Menschheitsgeschichte 400 Teile pro Million überschritten.
Als die Regierungen die Bürger früh in der COVID-19-Pandemie aufforderten, zu Hause zu bleiben, bedeuteten weniger Autos auf den Straßen einen starken Rückgang der Menge an Treibhausgasen und Schadstoffen, die in die Atmosphäre freigesetzt wurden. Aber bei CO2 muss ein „steiler Abfall“ in einen Kontext gestellt werden, sagte Lesley Ott, eine Forschungsmeteorologin im Global Modeling and Assimilation Office der NASA im Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Dieses Gas kann nach seiner Freisetzung bis zu einem Jahrhundert in der Atmosphäre verbleiben, weshalb kurzfristige Änderungen im gesamten globalen Kohlenstoffkreislauf verloren gehen könnten – einer Abfolge von Aufnahme und Freisetzung, die sowohl natürliche als auch menschliche Prozesse umfasst. Die Lockdowns Anfang 2020 sind nur ein kleiner Teil des gesamten CO2-Bildes für das Jahr.
„Anfang 2020 sahen wir Brände in Australien, die CO2 freisetzten, wir sahen eine stärkere Aufnahme von Pflanzen in ganz Indien, und wir sahen all diese verschiedenen Einflüsse vermischt“, sagte Ott. „Die Herausforderung besteht darin, zu versuchen, das zu entwirren und zu verstehen, was all die verschiedenen Komponenten waren.“
Bis vor kurzem war es mit Satellitentechnologie nicht möglich, solche Veränderungen zu messen. Der OCO-2-Satellit der NASA verfügt über hochpräzise Spektrometer, die darauf ausgelegt sind, noch kleinere CO2-Schwankungen zu erfassen, und waren in Kombination mit dem umfassenden GEOS-Erdsystemmodell perfekt geeignet, um die pandemiebedingten Veränderungen zu erkennen.
Die Sperrungen im Zusammenhang mit COVID-19 gewährten Wissenschaftlern einen unerwarteten und detaillierten Einblick, wie sich menschliche Aktivitäten auf die Zusammensetzung der Atmosphäre auswirken. Zwei kürzlich durchgeführte Studien, von denen sich eine auf Stickoxide und die andere auf CO2-Konzentrationen konzentrierte, konnten den atmosphärischen „Fingerabdruck“ der Sperrungen in beispielloser Detailgenauigkeit nachweisen. Bildnachweis: NASA / Katie Jepson
„OCO-2 wurde nicht für die Überwachung von Emissionen entwickelt, aber es wurde entwickelt, um noch kleinere Signale zu sehen als das, was wir bei COVID gesehen haben“, sagte der Hauptautor Brad Weir, ein Forschungswissenschaftler an der Goddard and Morgan State University. Weir erklärte, dass eines der Forschungsziele der OCO-2-Mission darin bestand, zu verfolgen, wie sich die menschlichen Emissionen als Reaktion auf die Klimapolitik verändert haben, von der erwartet wird, dass sie kleine, allmähliche Änderungen des CO2 bewirkt. „Wir hatten gehofft, dass dieses Messsystem in der Lage sein würde, eine große Störung wie COVID zu erkennen.“
Das Team verglich die gemessenen Änderungen des atmosphärischen CO2 mit unabhängigen Schätzungen der Emissionsänderungen aufgrund von Abriegelungen. Zusätzlich zur Bestätigung dieser anderen Schätzungen liefert die Übereinstimmung zwischen Emissionsmodellen und atmosphärischen CO2-Messungen starke Beweise dafür, dass die Reduktionen auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind.
GEOS steuerte wichtige Informationen zu Windmustern und anderen natürlichen Wetterschwankungen bei, die sich auf die CO2-Emission und den Transport auswirken. „Diese Studie bringt wirklich alles zusammen, um ein enorm schwieriges Problem anzugehen“, sagte Ott.
Treibhausgase genauer unter die Lupe genommen
Die Ergebnisse des Teams zeigten, dass das Wachstum der CO2-Konzentration in der nördlichen Hemisphäre von Februar bis Mai 2020 zurückging (was einem Rückgang der globalen Emissionen um 3 % bzw. 13 %) entspricht, was mit Computersimulationen übereinstimmte, wie Aktivitätsbeschränkungen und natürliche Einflüsse die Atmosphäre beeinflussen sollten .
Das Signal war in der südlichen Hemisphäre nicht so klar, dank einer anderen rekordverdächtigen Klimaanomalie: dem Dipol des Indischen Ozeans oder IOD. Die IOD ist ein zyklisches Muster von Ozeanen, die kühler als normal sind, in Südostasien und Ozeanen, die wärmer als normal sind, im östlichen Indischen Ozean („positive“ Phase) oder umgekehrt („negative“ Phase). Ende 2019 und Anfang 2020 erlebte das IOD eine intensive positive Phase, die eine reichliche Erntesaison in Subsahara-Afrika hervorbrachte und zur rekordverdächtigen australischen Feuersaison beitrug. Beide Ereignisse wirkten sich stark auf den Kohlenstoffkreislauf aus und machten es schwierig, das Signal von COVID-Sperren zu erkennen, sagte das Team – zeigten aber auch das Potenzial von GEOS/OCO-2, natürliche CO2-Schwankungen in der Zukunft zu verfolgen.
GEOS/OCO-2-Daten treiben einen der Indikatoren im COVID-19 Earth Observing Dashboard an, einer Partnerschaft zwischen der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und der Japan Aerospace Exploration Agency. Das Dashboard stellt globale Daten und Indikatoren zusammen, um zu verfolgen, wie Sperrungen, dramatische Einschränkungen des Transportwesens und andere Maßnahmen im Zusammenhang mit COVID die Ökosysteme der Erde beeinflussen.
Das assimilierte GEOS-OCO-2-Produkt steht zum kostenlosen Download zur Verfügung und macht es Forschern und Studenten zugänglich, die weitere Untersuchungen durchführen möchten.
„Wissenschaftler können zu diesem Dashboard gehen und sagen: „Ich sehe etwas Interessantes im CO2-Signal; was könnte das sein?’“, sagte Ott. „Es gibt alle möglichen Dinge, auf die wir in diesen Datensätzen nicht eingegangen sind, und ich denke, es hilft den Menschen, auf eine neue Art und Weise zu erforschen.“
In Zukunft könnte die neue Assimilations- und Analysemethode auch verwendet werden, um die Ergebnisse von Klimaschutzprogrammen und -maßnahmen zu überwachen, insbesondere auf kommunaler oder regionaler Ebene, sagte das Team.
„Wir sind wirklich stolz darauf, dass wir in der Lage sind, zu überwachen, wie sich unser Klima verändert, und zu wissen, dass diese Technologie einsatzbereit ist“, sagte Ott.
Brad Weir et al., Regionale Auswirkungen von COVID-19 auf weltweit aus dem Weltraum nachgewiesenes Kohlendioxid, Wissenschaftliche Fortschritte (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abf9415