Weltweit einzigartig

Neue Messart für Treibhausgase in Graz entwickelt

05.07.2011 16:11

Eine Revolution in der Messung von Treibhausgasen ist Gottfried Kirchengast mit seinem Team an der Karl-Franzens-Universität Graz gelungen. Der Leiter des Wegener Zentrums für Klima und Globalen Wandel und des Fachbereichs Geophysik und Meteorologie am Institut für Physik hat mit seinen Kollegen eine völlig neue Methode entwickelt, die es erstmals möglich macht, die Treibhausgaskonzentrationen in der freien Atmosphäre langfristig und äußerst genau weltweit zu messen.

Gleichzeitig liefert das System auch exakte Daten der zentralen Klimavariablen Temperatur, Druck, Feuchte und Wind. Die bahnbrechende Entwicklung ermöglicht tiefere Einsichten in die globalen Klimaänderungen und könnte zur Referenzmethode für das Monitoring des Klimawandels in der freien Atmosphäre im 21. Jahrhundert werden, wie in der aktuellen Online-Ausgabe des Top-Fachjournals "Geophysical Research Letters" zu lesen ist.

Die neue Methode beruht auf Messungen mit Hilfe von Mikrowellen-und Infrarotlaser-Signalen. Bei der Mikrowellen- und Infrarotlaser-Okkultation senden eigene Sender-Satelliten Signale aus, die von Empfänger-Satelliten aufgefangen werden. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre werden die Signale gebrochen und teilweise absorbiert, so dass sie gedämpft beim Empfänger ankommen.

Gase absorbieren Signale unterschiedlich
Hier machen sich die Forscher des Wegener Zentrums unveränderliche quantenmechanische Eigenschaften der Gase zunutze: "Die verschiedenen Treibhausgase - wie Kohlendioxid, Methan, Lachgas, Ozon und Wasserdampf - absorbieren die Infrarotlaser-Signale auf ganz bestimmten Wellenlängen stark und dazwischen fast gar nicht. Jedes Gas hat ganz charakteristische Absorptionslinien", erklärt Kirchengast.

Bei Wahl der richtigen Linien für Absorptions-Signale lassen sich dann die jeweilige Konzentration der Gase und auch die Windstärke bestimmen. Daten zu Temperatur, Druck und Feuchte werden über die Signale der Mikrowellen-Okkultation gewonnen, bei deren Entwicklung die Grazer Forscher auch international führend mitwirken. "Alle diese Daten weisen eine Qualität auf, die selbst ausgesuchte Bodenstationen mit rein lokaler Messung schwer erreichen", betont Kirchengast.

Idee bereits 2004
Gottfried Kirchengast hatte die zündende Idee bereits Ende 2004 - zunächst nur eine faszinierende Hypothese. Seitdem leitet er die Forschung in einem immer größer werdenden internationalen Team. Susanne Schweitzer, Koautorin der aktuellen Publikation, trug im Rahmen ihrer Dissertation am Wegener Zentrum substanziell die Umsetzung der Idee zur realisierbaren Methode mit.

Die Forscherin hat unter anderem herausgefunden, welche Absorptionslinien für die Infrarotlaser-Okkultation überhaupt in Frage kommen. "Im möglichen Bereich im Kurzwellen-Infrarot gibt es über hunderttausend Linien, jedoch nur wenige Dutzend waren letztlich geeignet", so Schweitzer.

Klima-Monitoring der ganzen Erde ist nur mit Hilfe von Satelliten möglich. Bisher konnten in der freien Atmosphäre, die etwa zwei bis drei Kilometer über der Oberfläche beginnt, nur Temperatur und Druck mit vergleichbarer Qualität gemessen werden, und zwar mittels GPS-Radio-Okkultation. Auch dabei ist die Grazer Gruppe eine der international führenden.

Bisher kein geeignetes System
Für die weltweite Beobachtung weiterer Klimagrößen und vor allem der Treibhausgase gab es kein geeignetes System. Derzeit basieren einschlägige Daten auf punktuellen Messungen aus Ballons oder Flugzeugen sowie auf Modellberechnungen und vergleichsweise ungenauen Satellitendaten. Die Mikrowellen- und Infrarotlaser-Okkultation lässt durch die Möglichkeit der hochgenauen und gleichzeitig modellunabhängigen Beobachtung auf weitreichende neue Erkenntnisse zum Klimawandel hoffen.

Bilder: Karl-Franzens-Universität Graz