Atmosphäre und Fernerkundung Forschungsthemen
Treibhausgase
Biogener Kohlenstoffkreislauf: CO2 wird durch biogene Prozesse wie Respiration und Photosynthese zwischen der Atmosphäre und der Landoberfläche ausgetauscht. Netto wirkt die Biosphäre global als Senke für die mensch-gemachten Emissionen. Allerdings sind die biogenen Prozesse sensitiv auf klimatische Veränderungen, so dass ein genaues Prozessverständnis benötigt wird, um den Beitrag der Biosphäre unter einem zukünftigen Klima zu verstehen. Solches Prozessverständnis mit Schwerpunkt auf die kontinentale und jahreszeitliche Skala entwickeln wir durch die Zusammenschau von CO2 Satellitenmessungen, bodengestützten Netzwerkdaten, inversen Atmosphärenmodellen und Vegetationsmodellen.
Treibhausgaskamera: Starke Punktquellen von CO2 und CH4 tragen maßgeblich zum Emissionsbudget der Treibhausgase bei. Solche Quellen sind Kohlekraftwerke, Industrieanlagen und Vulkane für CO2 sowie Öl-, Gas-, Kohleförderanlagen, Mülldeponien und Abwasserbehandlung für CH4. Zur Verifikation von Emissionsraten und zur Visualisierung der Abgasfahnen entwickeln und betreiben wir ein CO2 und CH4 Kamera basierend auf einem Gitterspektrometersystem im kurzwelligen Infrarot. Die Kamera kann aus mehreren Kilometern Entfernung Abgasfahnen mit guter zeitlicher Auflösung im Nahfeld der Quelle abbilden. Unter Kenntnis der Windverhältnisse lassen sich instantane Emissionsraten ableiten.
Bodengestützte Referenzmessungen: Satellitenmessungen und Atmosphärenmodelle für CO2 und CH4 benötigen rigorose Validierung, um sicher zu stellen, dass die typischerweise kleinen Gradienten der Gase genau erfasst und so Quell- und Senkenmuster richtig abgeleitet werden. Bodengestützte Messungen liefern diese Validierung durch hochgenaue absorptionsspektroskopische Messungen von Sonnenlicht. Wir betreiben unsere Fourier-Transform-Spektrometer in nationalen und internationalen Netzwerken zusammen mit Partnern weltweit und wir entwickeln die Verfahren weiter für mobile Plattformen wie Schiffe und Straßenfahrzeuge.
Neue spektroskopische Methoden: Wir entwickeln neue spektroskopische Verfahren mit dem Ziel, die Verteilung von CO2 und CH4 in der Atmosphäre genauer und dichter bestimmen zu können. Dazu gehört die Entwicklung von Strahlungstransportmodellen zur Datenauswertung sowie der Bau von Instrumenten. Wir haben ein Spektrometer entwickelt, das gestreutes Sonnenlicht im kurzwellig-infraroten Spektralbereich hochauflösend misst und beliebige Streupunkte im Himmel und an der Erdoberfläche anvisieren kann. Das Verfahren soll zur Kartierung lokaler Treibhausgasfelder genutzt werden. Erste Einsätze beispielsweise in Los Angeles mit lokalen Partnern waren erfolgreich.
Vulkane: Die Zusammensetzung der Abgasfahnen von Vulkanen kann Hinweise auf Mechanismen im Inneren der Vulkane geben. Wir messen mit unseren absorptionsspektroskopischen Verfahren die Konzentrationen von CO2 sowie schwefel- und halogenhaltigen Substanzen. Wegen des hohen Gehalts von CO2 in der Hintergrundatmosphäre ist die Messung der vulkanischen CO2 Fahne besonders schwierig und benötigt moderne Verfahren. Wir führen Expeditionen zum Ätna durch, um die entwickelten Methoden zu prüfen und in Zusammenschau mit chemischen und geologischen Messungen den Ätna besser zu verstehen.
Photochemie
Ozonchemie in der mittleren Atmosphäre: Halogenoxide spielen für die Ozonchemie in der oberen Troposphäre und darüber in der Stratosphäre eine entscheidende Rolle beim Abbau von Ozon. Die chemischen Mechanismen und Transportprozesse sind im Prinzip verstanden, aber Unsicherheiten bestehen bei der quantitativen Modellierung und bei der Sensitivität auf veränderte klimatische Bedingungen. Deshalb ist eine regelmäßige Beprobung der Höhenschichten der mittleren Atmosphäre mit Ballons und Flugzeugen von Nöten. Für solche Messplatformen betreiben und entwickeln wir Spektrometer für den UV und sichtbaren Spektralbereich, die seltene - aber in der Photochemie katalytisch wirkende - Gase wie Brom- und Iodoxid messen können.
Luftverschmutzung: Stickoxide spielen eine wichtige Rolle bei der Luftverschmutzung von urbanen Räumen, zumal sie maßgeblich im Verkehr durch Verbrennungsmotoren ausgestoßen werden. Satellitenmessungen dieser Gase brauchen Validierung durch bodengestützte Messungen. Deshalb betreiben wir auf unserer Dachplattform ein UV/sichtbares Spektrometersystem, das zum internationalen PANDONIA Netzwerk gehört und dessen Daten zu Validierungszwecken verwendet werden.
