Theorie zu unseren Messungen
Wissenschaftliche Fragestellung
Um Klimaschutzmaßnahmen effektiv beurteilen zu können, sind innovative Messmethoden notwendig. Wir haben dazu ein neues Messsystem entwickelt, welches einen 3D Datensatz der städtischen Treibhausgase erzeugt. ...
Der Klimawandel ist eines der brisantesten und meistdiskutierten Themen unserer Zeit. Da die Emissionsquellen jedoch noch nicht ausreichend genau quantifiziert werden können oder sogar komplett unbekannt sind, ist es schwer, geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Unsere Forschung beschäftigt sich deshalb damit, die Emissionsquellen von Treibhausgasen präzise zu bestimmen.
Ein grundlegendes Problem in der Quantifizierung und qualifizierten Bewertung von Emissionsquellen ist die derzeit unzureichende Datenbasis. Aktuelle Modelle basieren meist auf Hochrechnungen unter Verwendung von wenigen realen Messungen. Dieser Ansatz ist allerdings mit großen Unsicherheiten behaftet, da wissenschaftliche Studien gezeigt haben, dass die tatsächlichen Emissionen deutlich von den Schätzungen abweichen können. Deshalb entwickeln wir Sensorsysteme und Messmethoden, um die Treibhausgasemissionen einer gesamten Stadt messtechnisch quantifizieren zu können.
Dabei konzentrieren wir uns auf die Messung der sogenannten Säulenkonzentration der Treibhausgase, die durch die Analyse des Sonnenspektrums bestimmt werden kann. Bei dieser Messung wird die durchschnittliche Gaskonzentration in der Luftsäule zwischen dem Messinstrument und der Sonne bestimmt. Im Vergleich zur Messung einer Punktkonzentration mit einem standardisierten Gassensor, ist die Säulenkonzentration ein dreidimensionaler Datensatz, der unempfindlich gegenüber lokalen Einflüssen ist und die globalen Veränderungen der Treibhausgase präziser repräsentiert. Ein Foto, der für diesen Zweck von uns entwickelten Messsysteme, sehen Sie auf der linken Seite.
Sensornetzwerk
Seit September 2019 existiert in München das erste vollautomatisches Sensornetzwerk zu Quantifizierung der städtischen Treibhausgasemissionen. ...
Im September 2019 errichteten wir das weltweite erste vollautomatische Sensornetzwerk zur stationären Messung von städtischen Treibhausgasemissionen. Es besteht aus fünf, der von uns entwickelten, hochpräzisen FTIR-Spektrometer-Systemen (siehe oben). Eine Karte der fünf Standorte ist in der Abbildung rechts in Grün dargestellt. In Rot sehen Sie eine alternative Konfiguration der Sensoren, welche wir in unser einmonatigen Messkampagne im August 2018 getestet haben.
Das Sensornetzwerk ermöglicht uns erstmalig die langfristige Beobachtung der städtischen Treibhausgasemissionen mithilfe eines dreidimensionalen Messprinzips. Somit gibt es neben den etablierten Berechnungen der Münchner Treibhausgasemissionen nun erstmalig auch einen Vergleichsdatensatz, der auf realen Messungen basiert. Neben dieser neuartigen Möglichkeit, die Wirksamkeit von Klimaschutzmaßnahmen erstmals messtechnisch beurteilen zu können, bietet das Netzwerk auch die einmalige Chance zur Kalibrierung von Treibhausgas-Satelliten wie z.B. den beiden NASA Satelliten OCO-2 und OCO-3.
Emissionsbestimmung
Da das Ziel von Klimaschutzmaßnahmen die Reduktion von Treibhausgasemissionen ist, müssen die gemessenen Konzentrationen noch in Emissionen umgerechnet werden. Wir haben mit der DCM Methode für diesen Zweck ein entsprechendes Modell entwickelt. ...
Mithilfe unserer Messsysteme können zwar die Konzentrationen der Treibhausgase quantifiziert werden, nicht jedoch die Emissionen. Da Klimaschutzabkommen jedoch als Ziel die Reduktion von Emissionen und nicht von Konzentrationen vorgeben, müssen Konzentrationen zusätzlich in Emissionen umgerechnet werden. Der Unterschied zwischen diesen beiden Größen ist, dass Emissionen den Ausstoß eines Gases aus einer Quelle (z.B. Schornstein oder Auspuff) beschreiben, während Konzentrationen die Anreicherung eines bestimmten Gases in der Umgebungsluft darstellen (also z.B. die Anzahl von CO2 Molekülen in einem Kubikmeter Luft). Hohe Konzentrationen sind somit ein Resultat hoher Emissionen.
Zur Bestimmung der Emissionen haben wir die sogenannte Differenzielle Säulenmethode (DCM) entwickelt. Kern der Methode ist die differenzielle Messung der Säulenkonzentrationen (gemittelte Gaskonzentration in der Luftsäule zwischen Sensor und Lichtquelle) auf der Luv- und der Leeseite der Emissionsquelle, wobei keine künstliche Lichtquelle, sondern die Sonne verwendet wird.
Eine vereinfachte Illustration dieser Methode ist in der Abbildung links dargestellt. Während der Sensor, der in Windrichtung vor der Stadt aufgestellt ist, die Hintergrundkonzentration misst, enthalten die Messungen des Sensors, der hinter der Stadt steht, zusätzlich zur Hintergrundkonzentration auch die städtischen Abgase. Vereinfacht ausgedrückt repräsentiert die Differenz zwischen diesen beiden Messungen somit die Emissionen, die in der Stadt generiert worden sind.
BR-Abendschau Beitrag, 8. April 2021
Der Bayerische Rundfunk berichtete im Fernsehen über unser Sensornetzwerk MUCCnet. Das Video dauert 2:44 Minuten und fasst unsere wichtigsten Errungenschaften und Ziele zusammen (nur in Deutsch verfügbar).
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