Satelliten als Helfer im Einsatz gegen den Klimawandel

Vom 31. Oktober bis zum 12. November 2021 findet im schottischen Glasgow die 26. UN-Klimakonferenz (COP, Conference of the Parties) unter dem Vorsitz Großbritanniens statt. Vertreter von 197 Vertragsstaaten beraten dort über geeignete Maßnahmen, um die Ziele der UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC) zu erreichen und das Pariser Klimaabkommen umzusetzen. "Die Raumfahrt spielt für die Umsetzung dieser Ziele eine wichtige Rolle, weil sie mithilfe von Erdbeobachtungssatelliten kontinuierlich und über einen langen Zeitraum den Zustand und die Veränderungen unseres Heimatplaneten und damit auch die Ursachen und Folgen des Klimawandels auf einzigartige Weise dokumentiert", erklärt Dr. Walther Pelzer, Mitglied des DLR-Vorstands und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. "Im Verbund mit unseren europäischen und internationalen Partnern wollen wir durch unsere Aktivitäten dazu beitragen, dass auf politischer und gesellschaftlicher Ebene dem Klimawandel effektiver entgegengewirkt werden kann."

Globale Bestandsaufnahmen Thema beim "Earth Information Day"

So liefern Satelliten wichtige Informationen über den Anstieg des Meeresspiegels oder die Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre. Außerdem sammeln sie Daten über die weltweite Entwaldung oder auch zu Änderungen in der Vegetation. Zu den Schwerpunkten der diesjährigen Weltklimakonferenz zählt die Reduktion der Treibhausgase auf Netto-Null bis zum Jahr 2050 und die Begrenzung der globalen Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius. Ziel ist es außerdem, Finanzmittel für die Umsetzung des Pariser Klimaabkommens zu mobilisieren und das Regelwerk zur Umsetzung dieses Abkommens weiterzuentwickeln. Teil der Konferenz wird auch in diesem Jahr der "Earth Information Day" sein, der am 3. November 2021 stattfindet. Themen sind die aktuellen Entwicklungen in der satellitengestützten Erdbeobachtung sowie deren Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels.

"Erdbeobachtungssatelliten können sowohl globale Bestandsaufnahmen leisten, als auch präzise punktuelle Messungen vornehmen und damit die Überprüfung des Pariser Abkommens unterstützen", erläutert Albrecht von Bargen, Ansprechpartner für die satellitengestützte Klimabeobachtung in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und derzeitiger Sprecher der Arbeitsgruppe Klima der Raumfahrtagenturen bei der COP 26. Damit liefern die Satelliten die Grundlage für länderübergreifende umweltpolitische Entscheidungen, aber auch für nationale Maßnahmen, wie etwa zur Minderung und Anpassung von Treibhausgasen.

Bestätigt wird die Bedeutung der Raumfahrt auch durch den jüngsten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), in dem Erdbeobachtungssatelliten als entscheidend für die Überwachung der Ursachen und Auswirkungen des Klimawandels eingestuft werden. Die Einsatzmöglichkeiten für Erdbeobachtungssatelliten sind dabei vielfältig. "Dazu gehören etwa Messungen der Eisschilde und der Treibhausgase in der Atmosphäre, sowie die globale Kartierung der Wälder und der Veränderung der Vegetation", führt von Bargen aus.

Treibhausgas-Missionen unterstützen das Pariser Klimaabkommen

Mit dem Pariser Klimaabkommen haben sich die Unterzeichner dazu verpflichtet, das 1,5-Grad-Ziel zu erreichen. Damit verbunden ist die konkrete Limitierung der noch zulässigen Treibhausgasemissionen. Staaten geben dazu ihre möglichen Beiträge zur Reduktion an, müssen aber auch den Nachweis erbringen, dass sie diese erfolgreich umsetzen. Bisher beruhen diese Nachweise auf bodengestützten Messungen. Satellitengestützte Messungen, wie etwa die der Copernicus Sentinel-5P-Mission, die unter anderem das Treibhausgas Methan erfasst, ermöglichen einen flächenhaften Abgleich und die Verfeinerung der bodengestützten Messungen. Aktuell wird mit der Copernicus CO2M-Mission außerdem ein System aus drei Satelliten gebaut, das ab dem Jahr 2026 die CO2-Emissionen global flächendeckend erfassen kann und so die Bestimmung der nationalen Beiträge unterstützt.

Ergänzend kommen auch nationale Satellitenmissionen hinzu, mit denen die Messung von Treibhausgasen und das Emissionsgeschehen umfassend beobachtet werden soll. So soll im Jahr 2027 die deutsch-französische Mission Merlin starten. Deren Lidarsystem (Light Detecting and Ranging) wird Quellen hochpräzise erfassen können, die zum Teil großflächig, aber mit geringer Konzentration Methan emittieren - wie etwa auftauende Permafrostböden. Das Laserinstrument kann unabhängig von externen Lichtquellen arbeiten und daher auch bei Nacht Messungen vornehmen. Diese verschiedenen satellitengestützten Beobachtungen ermöglichen so ein umfassendes Screening und eine präzise Bestimmung globaler Emissionsflüsse.

Grönländischer Eisschild verliert 250 Gigatonnen Eismasse pro Jahr

Für die Erfassung der globalen Eismassen sind Satelliten von entscheidender Bedeutung. Denn sie bieten die einzige Möglichkeit, Massenveränderungen der Eisschilde sowie deren Beitrag zum Meeresspiegelanstieg nicht nur punktuell, sondern auch umfassend und kontinuierlich zu messen. So konnte festgestellt werden, dass im Zeitraum zwischen April 2002 und Juni 2021 der Grönländische Eisschild durchschnittlich 250 und der Antarktische Eisschild 92 Gigatonnen pro Jahr an Eismasse verloren haben. Zusammen verursachten sie damit etwa 26 Prozent des mittleren globalen Meeresspiegelanstiegs.

Doch wie funktionieren solche Messungen? Durch die Umverteilung von Massen, wie etwa durch das Schmelzen von Eis, verändert sich die Erdanziehung. Da sich das Schwerefeld der Erde wiederum auf die Satellitenbahnen und somit auf die Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten auswirken, können Missionen wie GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), die in den Jahren 2002 bis 2017 aktiv war, und GRACE-Follow-On, die im Jahr 2018 gestartet ist, solche Auswirkungen messen. Beide Missionen sind in Kooperation zwischen der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) realisiert worden.

Waldökosysteme dienen als "grüne Lunge" für unseren Planeten

Wälder sind ein unverzichtbarer Bestandteil unserer Lebensgrundlage und sichern als Heimat für viele Tier- und Pflanzenarten die weltweite Artenvielfalt. Insbesondere die tropischen Waldgebiete helfen außerdem durch Kohlenstoffspeicherung, die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre zu reduzieren und wirken dabei der globalen Erwärmung entgegen. Rund ein Drittel der Landmasse der Erde ist heute von Wäldern bedeckt. Doch bereits seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurde der Bestand durch Abholzung um mehr als die Hälfte reduziert. Wälder sind aufgrund natürlicher, klimatischer und durch Menschen verursachte Prozesse hinsichtlich der Vegetationshöhe, Biomasse und Artenvielfalt sehr unterschiedlich aufgebaut.

Die Kartierung dieser Strukturmuster ist ein wichtiges Element, um den Zustand der Wälder zu erfassen und Funktion und Entwicklung von Waldökosystemen in Modellen abzubilden. Das DLR nutzt dazu interferometrische Radar-Daten, die für das globale Höhenmodell der deutschen Satellitenmission TanDEM-X aufgenommen wurden, in Kombination mit Daten der NASA-Mission GEDI (Global Ecosystem Dynamics Investigation Lidar). GEDI nimmt mit Hilfe eines Lasers von der Internationalen Raumstation ISS aus punktuelle Messungen der 3D-Waldstruktur vor. Mit Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz werden aus beiden Datensätzen Waldhöhe und Waldbiomasse flächendeckend abgeleitet.

Biodiversität als wichtiger Faktor bei der Kohlenstoffspeicherung

Biodiversität und Klima beeinflussen sich wechselseitig. So wird die biologische Vielfalt durch den Klimawandel bedroht, der sich wiederum negativ auf das Klima auswirkt. Am Beispiel von Mangroven wird dies besonders deutlich: Während diese besonderen Ökosysteme weltweit zwischen rund vier und 20 Milliarden Tonnen Kohlenstoff speichern und so erheblich zum Klimaschutz beitragen, sind sie durch die zunehmenden Extremwetterereignisse und dem steigenden Meeresspiegelanstieg besonders gefährdet. Der Verlust der Mangrovenwälder hätte die Freisetzung von CO2 zur Folge, welches wiederum den Treibhauseffekt verstärkt. Die Erhaltung der biologischen Vielfalt ist somit entscheidend für den Klimaschutz. Daten der Sentinel-2-Mission des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus sind bei der Kartierung und Überwachung der Ausdehnung von Mangroven und anderer Ökosysteme äußerst hilfreich. Im Jahr 2022 soll mit dem ersten deutschen Hyperspektralsatelliten EnMAP (Environmental Mapping Analysis Program) eine neue Mission zur Erforschung der Ökosysteme auf der Landoberfläche der Erde starten.

Hohe deutsche Beteiligung an der satellitengestützten Erdbeobachtung

Deutschland ist führend an den Erdbeobachtungsprogrammen der Europäischen Kommission, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten EUMETSAT beteiligt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR gestaltet die Programme entsprechend der Zielsetzungen der Bundesregierung. Die nationalen Satellitenmissionen ergänzen dabei die europäischen Aktivitäten.