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Wie zuverlässig sind CO₂-Messungen aus dem Weltraum?
Ein genauerer Blick auf die Atmosphäre: Messdaten zweier CO₂-Instrumente im All wurden für den Zeitraum seit September 2014 neu aufbereitet. Die verbesserte Datenreihe stimmt bei gemeinsamen Beobachtungen beider Instrumente eng überein und passt in vielen Tests besser zu Vergleichsmessungen am Boden. Dadurch lassen sich Veränderungen im globalen Kohlenstoffkreislauf zuverlässiger untersuchen.
Fort Collins (U.S.A.). Die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre steigt durch menschliche Emissionen. Doch wie sich das Treibhausgas über einzelnen Regionen verteilt, hängt auch davon ab, wie viel CO₂ Wälder, Böden und Ozeane aufnehmen oder wieder freisetzen. Solche Schwankungen sind für den Klimawandel bedeutsam, lassen sich mit einzelnen Messstationen aber nur ausschnittsweise erfassen.
Satelliten schließen einen Teil dieser Beobachtungslücken, weil sie große Gebiete wiederholt überfliegen. Allerdings messen sie den CO₂-Gehalt nicht unmittelbar: Aus dem Spektrum des von der Erdoberfläche reflektierten Sonnenlichts muss erst auf die Gaskonzentration geschlossen werden. Fehler bei der Instrumentenkalibrierung, Wolken und die Beschaffenheit der Erdoberfläche können das Ergebnis beeinflussen.
Forscher der Colorado State University (CSU) um Thomas E. Taylor haben die Messreihen von zwei Instrumenten der US-Raumfahrtbehörde NASA nun mit einer verbesserten Auswertung vereinheitlicht. Das Observatorium OCO-2 beobachtet die Atmosphäre seit September 2014 aus einer eigenen Umlaufbahn, OCO-3 seit August 2019 von der Internationalen Raumstation aus. Damit liegen Messungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln und zu verschiedenen Tageszeiten vor.
Beide Instrumente liefern Angaben zum mittleren Kohlendioxidanteil in einer senkrechten Luftsäule über dem jeweiligen Messort. Dieser auf trockene Luft bezogene Wert wird als XCO₂ bezeichnet. Die neu aufbereitete Messreihe reicht bis August 2026 und bildet damit eine fast zwölfjährige Grundlage für langfristige Vergleiche.
Den Kern der Überarbeitung bildet die elfte Version des Auswertungsalgorithmus ACOS. Sie berücksichtigt unter anderem eine verfeinerte Kalibrierung, aktualisierte Daten zur Absorption des Sonnenlichts, genauere Geländehöhen und die Reflexion des Lichts an der Meeresoberfläche. Zudem werden fehlerverdächtige Beobachtungen gezielter aussortiert und verbliebene systematische Abweichungen rechnerisch korrigiert.
Ein später entdeckter zeitlicher Messdrift bei OCO-2 wird in der Datenversion 11.3 zusätzlich ausgeglichen. Als wahrscheinliche Ursache gelten Eisablagerungen auf den Detektoren, die die Kalibrierung beeinflussen können. Gerade bei einer langen Zeitreihe sind solche Korrekturen wichtig, damit technische Veränderungen nicht mit tatsächlichen Veränderungen der Atmosphäre verwechselt werden.
Zur Überprüfung hat das Team die Ergebnisse mit mehreren unabhängigen Vergleichsgrößen abgeglichen. Dazu gehört das bodengebundene Total Carbon Column Observing Network (TCCON), dessen Instrumente die CO₂-Luftsäule besonders präzise erfassen. Hinzu kommen Modellberechnungen der Atmosphäre und direkte Vergleiche zwischen den beiden Weltrauminstrumenten.
Die Auswertung zeigt insgesamt eine bessere Übereinstimmung mit den Vergleichsgrößen als bei der früheren Datenversion, insbesondere für OCO-3. Bei OCO-2 fallen die Verbesserungen je nach Messsituation unterschiedlich aus. Die neue Verarbeitung bedeutet daher nicht, dass jeder einzelne Satellitenwert automatisch genauer geworden ist.
Ein wichtiger Abgleich gelang auch zwischen den beiden Instrumenten selbst: Bei zeitlich und räumlich passenden Beobachtungen lag ihre mittlere Differenz unter 0,2 Teilen pro Million (ppm). Das ist ein Maß für die Übereinstimmung der beiden Datensätze und nicht für die Unsicherheit einer Einzelmessung. Weil die Instrumente die Erde aus verschiedenen Umlaufbahnen beobachten, ist diese Übereinstimmung besonders aussagekräftig.