Methan-Isotope zeigen neue Quellen des Methananstiegs

Satelliten verfolgen seit Jahren, wie sich Methan in der Atmosphäre anreichert. Bodenstationen erfassen das Gas täglich.

Durch die Kombination aus Sensoren im Orbit und Messgeräten an der Erdoberfläche ging man davon aus, dass Forschende recht genau wüssten, welche Regionen wie viel Methan ausstoßen. Das stimmte nicht.

Eine genauere Untersuchung konzentrierte sich auf die molekularen Fingerabdrücke, die im Methan selbst enthalten sind, statt lediglich die Konzentrationen über einem Gebiet zu messen.

Die Auswertung ordnete einen größeren Anteil des jüngsten Methananstiegs menschlichen Aktivitäten in Asien zu, als bislang berechnet worden war.

Moleküle fungieren als Kennzeichen

Isotopologe sind Methanvarianten, deren Atome geringfügig unterschiedliche Massen besitzen. Manche enthalten schwerere Kohlenstoffatome, andere zusätzliche Masse in Form von Wasserstoff.

In der Atmosphäre verhalten sie sich gleich, doch spezialisierte Instrumente können sie voneinander unterscheiden. Diese feinen Abweichungen dienen als chemische Signaturen.

Methan aus einem Kohlebergwerk weist ein anderes Isotopenmuster auf als Methan aus einem Feuchtgebiet oder einem Reisfeld. Dadurch lässt sich jede Quelle zurückverfolgen.

Satelliten und Messstationen im Zusammenspiel

Xueying Yu, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der University at Albany, SUNY (UAlbany), leitete ein internationales Team. Es wollte die molekularen Fingerabdrücke von Methan gleichzeitig aus dem All und vom Boden aus entschlüsseln.

Satelliten beobachteten Methankonzentrationen auf ihrem Weg rund um die Erde. Über mehrere Kontinente verteilte Bodenmessstationen zeichneten die Isotopensignaturen des Gases auf, wenn es über sie hinwegzog.

Yu und ihr Team speisten beide Datenströme in ein Computermodell für den Zeitraum von 2019 bis 2021 ein.

Das Modell bezog Isotopeninformationen ein und bestimmte somit nicht nur die vorhandene Methanmenge, sondern auch deren Art.

So konnten die Forschenden sowohl das gesamte Emissionsvolumen als auch dessen Herkunft abschätzen. Frühere Verfahren konnten beides nicht gleichzeitig leisten.

Regionen mit den höchsten Emissionen

Die isotopengestützte Auswertung machte regionale Unterschiede sichtbar, die alleinige Satellitenbeobachtungen übersehen hatten. In Ostasien stiegen die Emissionen um 26 Millionen Tonnen pro Jahr, vor allem aufgrund Chinas.

Südasien, angeführt von Indien, trug jährlich weitere sieben Millionen Tonnen bei. Zentralafrika steuerte zusätzliche fünf Millionen Tonnen bei. Damit verschob sich deutlich, wo Methan in die Atmosphäre gelangt.

Den Isotopenmustern zufolge waren Kohle- und Gasförderung in China und Indien vermutlich die wichtigsten Treiber. Die Forschenden betonten jedoch, dass die regionale Aufschlüsselung weiterhin Unsicherheiten aufweist.

Die Rolle von Feuchtgebieten

Für das Amazonasbecken ergab sich ein anderes Bild. Gegenüber früheren Berechnungen sanken die Schätzungen für diese Region um fünf Millionen Tonnen pro Jahr.

Natürliche Feuchtgebiete scheinen weniger Methan freizusetzen, als Forschende angenommen hatten.

Feuchtgebiete zählen zu den größten natürlichen Methanquellen der Erde. Ihre Emissionen korrekt zu bestimmen, hilft dabei, menschengemachte Ausstöße von natürlichen Hintergrundwerten zu trennen.

Die Differenz zwischen den früheren Schätzungen und den neuen Messungen deutet darauf hin, dass die gegenwärtigen Feuchtgebietsmodelle überarbeitet werden müssen.

Menschliche Quellen bestimmen den Anstieg

Für die Klimapolitik ist die Unterscheidung zwischen natürlichen Quellen und Quellen aus fossilen Brennstoffen entscheidend. Methan aus Feuchtgebieten oder Permafrost folgt Temperatur- und Niederschlagsmustern, die Menschen nicht kontrollieren können.

Emissionen aus Kohleminen, Gaspipelines und Ölanlagen stammen dagegen aus Infrastruktur, die überwacht, verringert oder stillgelegt werden kann.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass menschliche Aktivitäten bei den jüngsten Methananstiegen eine größere Rolle spielen als bisher angenommen – insbesondere Emissionen aus fossilen Brennstoffen in Regionen wie China und Indien –, während die Emissionen aus natürlichen Feuchtgebieten im Amazonasgebiet offenbar niedriger ausfallen als erwartet“, sagte Yu.

Die Isotopenanalyse zeigte außerdem zeitliche Muster bei den Emissionen. In China fielen die saisonalen Schwankungen geringer aus, als frühere Modelle vorhergesagt hatten.

In Südostasien trat der sommerliche Höchstwert später auf. Beides weist auf Emissionsquellen hin, die in den aktuellen Inventaren nicht erfasst werden.

Neues Modell übertrifft frühere Ansätze

Frühere Studien zu Methanisotopen stützten sich auf vereinfachte Boxmodelle, welche die Atmosphäre als eine Reihe von Kompartimenten behandelten.

Diese Modelle konnten nicht nachvollziehen, wie sich Luft tatsächlich bewegt, vermischt und Isotopensignaturen über Kontinente transportiert.

„Diese Methode ermöglicht es uns, Satellitendaten zu Methan und bodengestützte Isotopenmessungen über Raum und Zeit hinweg konsistent zusammenzuführen“, sagte Yu.

„Sie liefert ein physikalisch realistischeres und besser eingegrenztes Bild der Methanquellen und -prozesse als frühere Ansätze.“

Yus Team entwickelte den neuen Rahmen auf Grundlage eines Modells, das das Verhalten der gesamten Atmosphäre simuliert.

Dadurch konnten die Forschenden verfolgen, wie sich Methan und seine Isotopenvarianten verändern, wenn Luftmassen verschiedene Regionen durchqueren.

Datenlücken erhöhen die Unsicherheit

Die bodengestützten Isotopenmessungen dieser Studie stammen aus einem begrenzten weltweiten Netz von Stationen.

Einige Regionen – insbesondere die Tropen – sind weniger dicht abgedeckt als andere. Das erhöht dort die Unsicherheit der Modellschlussfolgerungen.

Ein Ausbau des Netzes könnte bestätigen helfen, wie stark sich regionale Schätzungen mit einer besseren Abdeckung verändern.

Das untersuchte Datenfenster umfasst nur die Jahre 2019 bis 2021 und bildet langfristigere Trends möglicherweise nicht vollständig ab.

Präzise Zuordnung wird möglich

Atmosphärisches Methan hat Rekordwerte erreicht; Prognosen gehen bis 2030 von einem weiteren Anstieg um 13 Prozent aus.

Zu wissen, welche Regionen und Quellen diesen Anstieg verursachen, entscheidet darüber, worauf Minderungsmaßnahmen ausgerichtet werden sollten.

Die Isotopologen-Methode liefert diese Präzision: Sie unterscheidet Kohleminen von Reisfeldern sowie natürliche Austritte von industriellen Lecks.

Für Regionen wie China und Indien, in denen Anlagen für fossile Brennstoffe nahe landwirtschaftlichen Gebieten konzentriert sind, ist diese Abgrenzung unverzichtbar, um wirksame Minderungen gezielt umzusetzen.

Eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten bringt menschliche Aktivitäten mit einem größeren Anteil am jüngsten Methananstieg in Verbindung, als zuvor natürlichen Quellen zugeschrieben wurde. Diese Studie verleiht diesem Bild eine geografische Genauigkeit.

An der Studie waren Forschende aus sechs Ländern beteiligt. Das Team plant, den Ansatz mit Unterstützung des Center for Emerging Artificial Intelligence Systems der UAlbany weiter zu verfeinern.