Atmosphäre und Fernerkundung Forschungsthemen

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. 

Wir entwickeln neue spektroskopische Verfahren mit dem Ziel, die Verteilung von CO₂ und CH₄ in der Atmosphäre genauer und mit besserer Auflösung zu bestimmen. Dazu gehört die Entwicklung von Strahlungstransportmodellen zur Datenauswertung sowie der Bau von Instrumenten. Wir entwickeln aktuell ein Dual Comb Spectrometer (DCS) Setup, das aus zwei interferierenden Frequenzkammlasern besteht. Das Laserlicht wird über einen Absorptionspfad zu Reflektoren am Philosophenweg gesendet. So kann die CO₂ Konzentration über Heidelberg mit hoher Genauigkeit und hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. Zusammenarbeit mit den Gruppen von Prof. Markus Oberthaler, Kirchhoff-Institut für Physik (KIP), und Prof. Thomas Pfeifer, Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK).

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.

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.

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.

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.

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.