Aktuelle Treibhausgas- Überwachung und zukünftige Möglichkeiten

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1 Aktuelle Treibhausgas- Überwachung und zukünftige Möglichkeiten Martin Heimann Max-Planck-Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany

2 Globale Kohlenstoffbilanz ± 0.5 PgC yr ± 0.1 PgC yr -1 44% 1.0 ± 0.5 PgC yr ± 0.9 PgC yr -1 31% 2.6 ± 0.5 PgC yr -1 25% 1 PgC = g C = tco2 Global Carbon Project 2016; Le Quéré et al. 2016

3 Wo liegen die wichtigsten Unsicherheiten aus naturwissenschaftlicher Sicht? Fossile Emissionen Traditionell die am zweitbesten bekannte Komponente in der globalen Bilanz Unsicherheiten nehmen jedoch mit der Zeit zu Schlechte Kenntnis von räumlicher und zeitlicher Variabilität Ozean Modelle sind sich nicht einig bezüglich regionale Grösse und Trends der Ozeansenke Landoberflächen Langjährige Kontroverse über dominanten Senken-Prozess und dessen geographischer Lage (Tropen vs boreale Zone) Ohne genaue Bilanzen, lassen sich die Beiträge der einzelnen Prozesse nicht trennen Klimasensitivität

4 Naturwissenschaftliche Wissenslücken Wie gross ist die Treibhausgasbilanz in kritischen Regionen (z.b. Arktis, Tropen, Nordatlantik, südlicher Ozean)? und wie verändert sie sich mit der Zeit? Verlangt Beobachtungen in zur Zeit schlecht erfassten Regionen Skala: Kontinent, Ozeanbecken Wie reagieren CO 2 and CH 4 -Flüsse auf Änderungen der Umwelt (z.b. Klima, CO2, Landnutzung, Luftverschmutzung)? Verlangt hohe räumliche und zeitliche Auflösung Skala : Subkontinent, einzelne Länder Wo und wie gross sind die anthropogenen Hotspots? und wie verändern sie sich mit der Zeit? Verlangt Trennung der Emissionen von den umliegenden natürlichen Austauschflüssen Skala : Lokal

5 Wie lassen sich regionale Quellen und Senken belastbar bestimmen? Top-down - bottom-up Strategie Das CarboEuropeIP und ICOS Paradigma ICOS: Integrated Carbon Observation System Unterstützt in Deutschland durch BMBF (auch HGF, MPG), BMVI (DWD), BMEL

6 Wie kann man regionale Treibhausgasbilazen ermitteln? Beispiel: Top-down Methode nutzt die Atmosphäre als natürlicher Integrator der heterogenen Quellen und Senken Mächtiges Werkzeug; verlangt jedoch 3 Bedingungen: 1. Dichtes Netz an Beobachtungen 2. Numerisches Modell des atmosphärischen Transportes 3. a priori Information zur Regularisierung des inversen Problems Aber: Die Atmosphäre sieht nur die Summe der verschiedenen Quellen und Senken!

7 Drei Netzwerke zur Erfassung der Treibhausgase und ihren Austauschflüssen Ökosysteme Schiffsmessungen Atmosphäre

8 CarboEuropeIP Projekt: Schulze et al., 2009, Ciais et al, 2008, Watson et al., 2009 Kohlenstoffbilanz von Europa und Nordatlantik [TgC yr -1 ] (positive Zahlen: Fluss in die Atmosphäre) Atmosphäre Top-down Schätzung -340 ±??? 1270 ± Bottom-up Schätzung Nordatlantik Rand- Meere Flüsse Wälder Grasland Landwirtschaft Moore Änderungen Landnutzung Andere Fossile Emissionen CO2

9 CarboEuropeIP Projekt: Schulze et al., 2009 Räumliche Verteilung der CO2 Quellen und Senken Quellen und Senken Unsicherheiten

10 Dilemma eines THG-Überwachungssystems 1. Naturwissenschaftliche Zielsetzung: Reduktion der Unsicherheiten der terrestrischen und ozeanischen Senkenprozesse (Verständnis, Treiberfaktoren, Klimarückkopplungen, etc.), Verbesserung der biogeochemischen Komponenten in den Erdsystemmodellen 2. Verifikation/Unterstützung von Emissionskatastern auf nationaler und lokaler Skala im Kontext von Massnahmen zum Klimaschutz

11 Dilemma eines THG-Überwachungssystems 1. Naturwissenschaftliche Zielsetzung: Reduktion der Unsicherheiten der terrestrischen und ozeanischen Senkenprozesse (Verständnis, Treiberfaktoren, Klimarückkopplungen, etc.), Verbesserung der biogeochemischen Komponenten in den Erdsystemmodellen 2. Verifikation/Unterstützung von Emissionskatastern auf nationaler und lokaler Skala im Kontext von Massnahmen zum Klimaschutz ICOS ermöglicht einen Quantensprung bezüglich Ziel 1 und einen signifikanten Beitrag zu Ziel 2 auf nationaler Skala.

12 Quellen und Senken des CO2 über Land sind extrem heterogen - in Raum und Zeit Beispiel: CO2-Austauschflüsse um 12 Uhr Mittags an einem Sommertag Basierend auf: bottom-up Inventaren, Satellitendaten der Landnutzung, Vegetationsmodell + Wetterdaten Eddykovarianz Flussmessstationen Schiffsmessungen ICOS-D

13 Verteilung der 1 Pixel (~2km 2 ) mit insgesamt 90% der nationalen fossilen Emissionen von Deutschland C. Gerbig, MPI-BGC, Jena. Daten: IER Stuttgart Um die nationalen Emissionen besser als 10% zu quantifizieren genügt es nicht, nur die Hotspots zu erfassen!

14 Passive Fernerkundung von Treibhausgasverteilungen in der Atmosphäre DKK Jahrestagung April 2016 Slide 3 SCIAMACHY auf ENVISAT ( ): CO 2, CH 4, CO, O 3, NO 2, SO 2... GOSAT ( ): CO 2, CH 4 OCO 2 ( ): CO 2 Sentinel 5 Precursor ( ): CH 4, CO, O 3, NO 2, SO 2

15 Hochauflösende numerische Simulation des CO2-Säulenmittels wie sie vom Satelliten aus gesehen würde (ohne Wolken!) GEOS-5 simulation, NASA Einige Tage im Juni, 2006

16 Hochauflösende numerische Simulation des CO2-Säulenmittels wie sie vom Satelliten aus gesehen würde (ohne Wolken!) GEOS-5 simulation, NASA Einige Tage im Juni, 2006

17 Roadmap zum Aufbau eines umfassenden Kohlenstoff (Treibhausgas) - Informationssystem (MVS = Monitoring and Verification Support capacity ) Copernicus CO2 report, 2015

18 Ziele und Aufgaben der MVS capacity Unterstützung von Politik und Wissenschaft Bereitstellung von zusätzlicher Information über Stärke und Trends der Emissionen durch Einbezug der anthropogenen Aktivitäten und deren Emissionen zusammen mit den Mustern der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre Unterstützung der Qualitätsverbesserung und Homogenisierung nationaler Treibhausgasinventare; Ergänzung der Daten für die Berichterstattung im UNFCCC Rahmenprogramm Einbezug der Top-down Überprüfung der Emissionen basierend auf unabhängigen in situ Beobachtungen in Kombination mit der Fernerkundung aus dem Weltraum, global und in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung

19 Implementation Voraussetzungen Der Weg zu ICOS 2.0 Vorarbeiten - Zeithorizont Substantielle Erweiterung der in situ Beobachtungen (u.a. 14 C Messnetz) Satelliten-Segment: Konstellation von 4-5 Satelliten Emissionsinventare Vegetationsmodelle Modelle des atmosphärischen Transports Integration der verschiedenen Elemente in ein umfassendes Informationssystem Einbezug der europäischen und internationalen Institutionen: EC, ESA, EUMETSAT, ECMWF, ICOS, nationale Inventare, WMO-GAW, IGIS Internationale Kooperation

20 Anforderungen an die Fernerkundungs- Komponente eines MVS Weites Messfeld: Abbildung des CO 2 und CH 4 - Wetters und der Abluftfahnen Hohe räumliche Auflösung: Erfassung von Hotspots und Verringerung der Abhängigkeit durch Wolkenbedeckung Hohe Genauigkeit: Atmosphärische Konzentrationsschwankungen sind klein Globale Abdeckung: CO 2 und CH 4 Quellen/Senken finden sich fast überall SCIAMACHY GOSAT (stopped) MicroCarb GOSAT OCO-2 OCO-2 CarbonSat (project) CO 2 and CH 4 CO 2 and CH 4 CO 2 CO 2 CO 2 and CH 4 Resolution too low Accuracy too low Sampling too sparse Accuracy moderate Sampling sparse Accuracy good Sampling dense Accuracy good

21 Detektion des fossilen CO2 in regionalen Messungen Aber: 14C Messungen sind zur Zeit teuer und logistisch nicht einfach. Optische Verfahren zur kontinuierlichen in situ Messung dürften in 3-5 Jahren zur Verfügung stehen. Moderate Komplikationen: 14C aus AKWs und nuklearen Wiederaufbereitungsanlagen (Graven and Gruber, 2011) Biomassenverbrennung Radiokohlenstoff ( 14 C) wird erzeugt in der Atmosphere und zerfällt mit einer Halbwertszeit von ~5700 Jahren. Kohlenstoff aus Erdöl, Erdgas und Kohle hat kein 14 C. Central Radiocarbon Laboratory (CRL) Hammer, Levin, et al., ICOS Konferenz, 2016

22 Datenintegration

23 Modellkomponenten und exemplarische Datenströme eines Datenassimilation-Systems

24 Forschungsbedarf für Deutschland Atmosphärischer Transport Datenintegration - Entwicklung eines DA Systems Einbezug innovativer neuer Messmethoden Ausbau der nationalen Messnetze (u.a. urbane Räume)