"Gome" – unbestechliches Auge im All

Globale Daten atmosphärischer Spurenstoffe für die Troposphäre, der untersten Schicht unserer Atmosphäre, waren lange Zeit der Traum vieler Forscher. Frühere Satelliteninstrumente waren jedoch nahezu "blind" für diesen Bereich unserer Lufthülle. Erst mit dem Start des "Global Ozone Monitoring Experiment" (Gome) an Bord des europäischen Forschungssatelliten ERS-2 kamen die Atmosphärenforscher den untersten Luftschichten einen entscheidenden Schritt näher. Gome macht es erstmals möglich, globale Daten von einer ganzen Reihe troposphärischer Spurenstoffe zu gewinnen. Thomas Wagner und Ulrich Platt vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg schildern die spektakulären Ergebnisse der Gome-Mission.

Im Laufe eines Tages umkreist Gome die Erde 14-mal; dabei vermisst das Satelliteninstrument jeweils einen 1000 Kilometer breiten Streifen über der Erdoberfläche.

Das Jahr 1957 war für die heutige Atmosphärenforschung in zweierlei Weise bedeutsam: Zum einen wurde in diesem Jahr mit dem Sowjetischen Sputnik das Zeitalter künstlicher Satelliten eröffnet, deren großes Potenzial zur Fernerkundung atmosphärischer Spurenstoffe schon bald erkannt und in die Realität umgesetzt wurde. Zum andern lenkte das "geophysikalische Jahr" 1957 den Blick der Wissenschaft – aber auch den der Öffentlichkeit – auf die Erforschung der Lebensumwelt des Menschen, des "Systems Erde".

Ein Schwerpunkt war, die Erdatmosphäre, speziell die stratosphärische Ozonschicht, zu erforschen. Dazu wurde ein weltweites Netzwerk zu regelmäßigen Ballonsondierungen der Ozonschicht erweitert, das bereits seit den zwanziger Jahren bestand. Anfang der sechziger Jahre startete dann das amerikanische "Nimbus"-Satellitenprogramm. Mit "Nimbus-4" wurde im Jahr 1970 der erste Satellit zur Vermessung der Ozonschicht in Dienst gestellt.

Das damalige Messprinzip beruhte auf der Absorption der rückgestreuten ultravioletten Strahlung der Sonne durch atmosphärisches Ozon. Das Ziel, die Höhenverteilung des Ozons zu bestimmen, erwies sich jedoch – für den damaligen Stand der Technik – als sehr ehrgeizig: Nur in wenigen Fällen gelang es, eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen. In den folgenden Jahren beschränkte man sich daher darauf, die über die Höhe integrierte Ozonkonzentration, die Ozonsäulendichte, zu messen.

Gome hat beispielsweise das Chlordioxid in der Stratosphäre gemessen. Damit kann die Gefährdung der Ozonschicht während des Polarwinters charakterisiert werden. Im Winter 1999/2000 wurde der bisher stärkste Ozonabbau – bis 60 Prozent – über der Nordhalbkugel beobachtet.

Hierzu konnte eine einfachere Messgeometrie als die für die Höhenprofile angewandt werden: Vom Satelliten wird das senkrecht von unten (aus Nadir-Richtung) von der Atmosphäre zurückgestreute Sonnenlicht gemessen. Aus dem Verhältnis der Lichtintensität bei ausgewählten Wellenlängen, entweder im Bereich von Ozonabsorption oder außerhalb, lässt sich die Ozonsäulendichte bestimmen. Das erste dieser "Total Ozone Mapping Spectrometer" (Toms) wurde 1978 an Bord des amerikanischen Forschungssatelliten Nimbus-7 gestartet und blieb bis 1993 in Betrieb. Die erfolgreichen Toms-Geräte wurden seither auf mehreren Satelliten eingesetzt.

Während der vergangenen Jahre wurden weitere Satellitengeräte und Analyseverfahren entwickelt. Zusätzliche Spektralbereiche (zum Beispiel im Infrarot- und Mikrowellenbereich) und Beobachtungsgeometrien erlauben es, viele weitere atmosphärische Spurenstoffe zu messen. Trotz dieser Entwicklungen blieb allen Satelliteninstrumenten zur Erforschung atmosphärischer Spurenstoffe ein Merkmal gemein: Sie beschränkten sich weitgehend auf die Stratosphäre, also auf die Luftschichten oberhalb von etwa zehn (Polargebiete) bis 18 Kilometer (Tropen). Für die bodennahen Luftschichten – also für den Bereich der Atmosphäre, in dem wir leben – blieben sie weitgehend blind.

Vor diesem Hintergrund war der Start des "Global Ozone Monitoring Experiment" (Gome) im April 1995 eine kleine Sensation. Dieses Instrument versprach auf Grund seiner hohen spektralen Auflösung im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich erstmals, auch für bodennahe Luftschichten empfindlich zu sein. Wie die Toms-Instrumente misst Gome das in Nadir-Geometrie gestreute Sonnenlicht, allerdings erstmals quasi kontinuierlich (in mehr als 4000 Kanälen) über einen großen Spektralbereich von 240 bis 780 Nanometer. Damit "sieht" Gome die Absorptionsbanden vieler atmosphärischer Spurenstoffe, die wegen ihrer spezifischen spektralen Signatur in den Mess-Spektren von Gome nachgewiesen werden können.

Der europäische Forschungssatellit ERS-2 bewegt sich auf einer sonnensynchronen, polaren Umlaufbahn in 800 Kilometer Höhe. Täglich werden etwa 80000 Einzelspektren aufgenommen, die jeweils 320 x 40 Quadratkilometer große Bereiche der Erdoberfläche überdecken. Eine globale Überdeckung wird nach drei Tagen erreicht, polwärts von etwa 65 Grad sogar innerhalb eines Tages. Mittlerweile ist Gome fast sechs Jahre kontinuierlich in Betrieb. Die hohen Erwartungen an die Qualität der Resultate wurden weit übertroffen, speziell im Hinblick auf die Empfindlichkeit für die Troposphäre. An dieser Entwicklung war das Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg maßgeblich beteiligt.

Die Palette der von Gome gemessenen atmosphärischen Spurenstoffe umfasst Ozon (O₃), Stickstoffdioxid (NO₂), Bromoxid (BrO), Chlordioxid (OClO), Formaldehyd (HCHO), Schwefeldioxid (SO₂), Wasserdampf (H₂O) sowie Sauerstoff (O₂) und das Sauerstoff-Dimer (O₂)₂. Die globale Verteilung dieser Substanzen zu untersuchen, ist sehr bedeutend, da viele der zugehörigen Spurenstoffkreisläufe durch menschlichen Einfluss erheblich gestört werden. Hierzu zählen Luftverschmutzung (Sommer- und Winter-Smog) durch Industrie, Verkehr, Hausbrand, Biomassenverbrennung sowie die Gefährdung der Ozonschicht. Zusätzlich können natürliche Phänomene (beispielsweise Emissionen von Vulkanen, Stickoxidproduktion durch Blitze, Ozonzerstörung in der polaren Troposphäre) untersucht werden. Viele der Gome-Messungen dienen auch der atmosphärischen Grundlagenforschung. Um die atmosphärischen Spektren zu messen, blickt Gome in Nadir-Richtung nach unten auf das von der Erdatmosphäre gestreute (und vom Erdboden reflektierte) Sonnenlicht. Diese Spektren enthalten die Absorptionen der atmosphärischen Spurenstoffe und werden im Folgenden als "Atmosphärenspektren" bezeichnet. In einem weiteren Modus nimmt das Gerät auch Spektren des direkten Sonnenlichts auf. Die gute spektrale Auflösung (0,2 bis 0,4 Nanometer pro voller Halbwertsbreite) über den großen Spektralbereich von Gome erlaubt es, viele atmosphärische Spurenstoffe in den Atmosphärenspektren nachzuweisen.

Im Atmosphärenspektrum sind darüber hinaus auch die Absorptionen einiger Spurenstoffe der Erdatmosphäre zu erkennen; insbesondere ist der starke Intensitätsabfall für Wellenlängen kleiner 300 Nanometer durch atmosphärisches Ozon bedingt. Allerdings sind nur die Absorptionen von O₂, O₃ und H₂O so stark, dass sie direkt im Atmosphärenspektrum erkannt werden können. Der Nachweis der vielen "schwachen Absorber" ist hingegen nur möglich, wenn man ein numerisches Auswerteverfahren, die "Differenzielle Optische Absorption-Spektroskopie" (DOAS), anwendet.

Zuerst werden hierbei die Atmosphärenspektren durch die Sonnenspektren dividiert, um die starken solaren Fraunhoferbanden zu eliminieren. Die zurückbleibenden atmosphärischen Absorptionen werden dann durch eine Kombination einzelner, im Labor gemessener Absorptionsspektren der betreffenden Spurenstoffe modelliert. Hierdurch ist es möglich, äußerst schwache Absorptionsstrukturen (kleiner als 0,1 Prozent) nachzuweisen. Ein Beispiel für eine solche Modellierung ist in der Abbildung auf Seite 6 für die Auswertung des Spurenstoffs BrO dargestellt. Neben dem Laborspektrum für BrO werden im betrachteten Spektralbereich die Absorptionsstrukturen für vier weitere Spurenstoffe berücksichtigt.

Die globale Karte zeigt die jährlich gemittelte troposphärische Stickstoffdioxid-Säulendichte. Erhöhte Werte über Industrieregionen verraten Stickoxid-Emissionen.

Entsprechend des Lambert-Beer'schen Absorptionsgesetzes kann aus den Modellierungsergebnissen die entlang des atmosphärischen Lichtweges integrierte Spurenstoffkonzentration, die "schräge Säulendichte", bestimmt werden. Diese je nach Sonnenstand variierende Größe wird zur besseren Vergleichbarkeit üblicherweise in die "vertikale Säulendichte" – also die vertikal über die Atmosphärenhöhe integrierte Spurenstoffkonzentration – umgerechnet. Hierzu dienen numerische Verfahren zur Modellierung des atmosphärischen Strahlungstransports.

Bisher konzentrierten sich die Arbeiten am Institut für Umweltphysik auf die Entwicklung von Analyseverfahren für die Spurenstoffe NO₂, BrO und OClO; im Folgenden soll ein Überblick über die Ergebnisse dieser Arbeiten gegeben werden. Die Emission von Stickoxiden, vor allem aus Kraftfahrzeugen, ist eine der Hauptursachen für schädlichen und gesundheitsgefährdenden Sommersmog. Außerdem stellen Stickoxide (neben Schwefeloxiden) einen Hauptbestandteil des sauren Regens dar. Die hohe Sensitivität von Gome erlaubt es nun erstmals, die globale troposphärische NO₂-Verteilung vom Satelliten aus zu messen. Die Abbildung auf Seite 6/7 stellt die über ein Jahr gemittelte troposphärische NO₂-Säulendichte dar.

Stark erhöhte NO₂-Werte treten vor allem über den industriellen Zentren Nordamerikas und Europas, aber auch Asiens auf. Unabhängig von nationalen Statistiken ist hierdurch erstmals eine globale Bestandsaufnahme der menschlichen Stickoxidemissionen möglich. Als weitere Quellen für troposphärisches NO₂ können Verbrennung von Biomasse (Waldbrände, insbesondere in den Tropen) sowie die Verbrennung (Abfackeln) von Erdgas identifiziert werden. In vielen Fällen werden erhöhte NO₂-Werte auch nach Gewittern gemessen – durch Blitzeinwirkung werden aus dem Stickstoff der Luft Stickoxide gebildet. Diese bedeutende, aber bislang nur ungenau bekannte natürliche Quelle von Stickoxiden lässt sich anhand der Gome-Messungen in Zukunft genauer untersuchen.

Das Bild zeigt ausgedehnte Flächen (rot/weiß) erhöhter troposphärischer Bromoxid-Konzentrationen während des Frühlings in beiden Polarregionen. Die Erhöhung dieses atmosphärischen Spurenstoffs konnte erstmals mit Hilfe von Gome nachgewiesen werden. Während des dargestellten Tages wurden in den Bodenstationen (runde Punkte) Ozonkonzentrationen nahe Null gefunden (so genanntes troposphärisches Ozonloch).

Erst seit etwa Mitte der achtziger Jahre ist bekannt, dass in der arktischen Troposphäre die Ozonkonzentrationen während des Frühlings häufig auf Werte nahe Null abfallen (dieses so genannte troposphärische Ozonloch soll nicht verwechselt werden mit dem stratosphärischen Ozonloch). Obwohl die genauen Umstände dieses Phänomens lange ungeklärt blieben, stellte sich relativ schnell heraus, dass die kurzzeitigen Ozoneinbrüche mit erhöhten Konzentrationen so genannter reaktiver Bromverbindungen einhergehen. Allerdings blieb unklar, ob es sich beim so genannten troposphärischen Ozonloch um ein natürliches oder ein vom Menschen verursachtes Phänomen handelte, wurden die Ozoneinbrüche doch anfangs nur in der durch anthropogene Emissionen stark verschmutzten Arktis, nicht aber in der relativ reinen Atmosphäre der Antarktis beobachtet. Weitgehende Klarheit über die Ursachen und Prozesse während des troposphärischen Ozonlochs erbrachten vor wenigen Jahren dann die BrO-Messungen von Gome (Abbildungen Seite 7 rechts oben und Seite 8). An beiden Polen konnten während langer Perioden (über mehrere Monate) stark erhöhte troposphärische BrO-Konzentrationen über ausgedehnten Gebieten (mehrere Millionen Quadratkilometer) nachgewiesen werden. Dies bestätigte eindrucksvoll diejenigen Theorien, nach denen die reaktiven Bromverbindungen von der Oberfläche gefrorenen Seesalzes freigesetzt werden. Im Gegensatz zum Ozonloch in der Stratosphäre handelt es sich beim troposphärischen Ozonloch also offenbar um ein in beiden Polargebieten jährlich wiederkehrendes natürliches Phänomen. Auf Grund der geringen Messdichte in den Polarregionen war es jedoch lange Zeit übersehen worden.

Auch künftig wird die Entdeckung erhöhter troposphärischer BrO-Konzentrationen durch Gome reichlich Forschungsstoff bieten. Es wird vermutet, dass – möglicherweise im Zusammenhang mit den erhöhten BrO-Werten in Polarregionen – eine weltweite BrO-Hintergrundkonzentration in der Troposphäre existiert. Diese beeinflusst die Chemie des troposphärischen Ozons erheblich.

Neben den spektakulären Messungen troposphärischer Spurenstoffe ermöglichten die Beobachtungen des Gome-Instrumentes auch neue Erkenntnisse bezüglich der stratosphärischen Ozonchemie. Hier erlaubt insbesondere die Messung des Chlordioxids OClO, die stratosphärische Chlorchemie während des Ozonlochs zu überwachen. Die Entdeckung des antarktischen (stratosphärischen) Ozonlochs im Jahr 1985 kam seinerzeit für die Wissenschaft völlig unerwartet. Zwar hatte man mit einem leichten Rückgang der Ozonschichtdicke als Folge der Emission von FCKWs gerechnet. Die tatsächliche Stärke (Rückgang um über 50 Prozent) sowie Ort und Zeit hatte man aber nicht vorhergesehen. Mittlerweile sind die Prozesse während des Ozonabbaus weitgehend verstanden, und internationale Abkommen haben zur weitgehenden Einstellung der Emissionen von FCKWs in den Industrieländern geführt. Auf Grund der langen Lebensdauer der FCKWs in der Atmosphäre wird der Scheitelpunkt der stratosphärischen Chlorkonzentration jedoch erst nach der Jahrtausendwende erwartet.

In dieser Phase ist es sehr bedeutend, die Gefährdung der Ozonschicht während des Polarwinters – auch auf der Nordhalbkugel – zu überwachen. Gome-Messungen von OClO erlauben es, die so genannte Chloraktivierung während des Polarwinters täglich zu charakterisieren. Gebildet aus BrO und ClO ist die Stärke der OClO-Absorption ein Maß für die Umwandlung der unaktiven Chlorverbindungen in die äußerst gefährlichen "aktiven Verbindungen" ClO und Cl2O2. Sie bewirken nach dem Ende der Polarnacht eine sehr effektive katalytische Ozonzerstörung.

Während sich das Ozonloch über der Antarktis von Winter zu Winter nahezu identisch entwickelt, bestehen auf der Nordhalbkugel auf Grund unterschiedlicher meteorologischer Randbedingungen große jährliche Schwankungen. Mit Gome war es erstmals möglich, die räumliche und zeitliche Entwicklung der stratosphärischen Chloraktivierung seit 1995 über beiden Polen kontinuierlich zu vermessen. Obwohl deutlich geringer als über der Antarktis, wurde auch über der Arktis eine starke Chloraktivierung beobachtet.

Die höchsten Werte bislang wurden im Winter 1999/2000 gemessen – dem Winter mit der bisher stärksten Ozonzerstörung über der Nordhalbkugel (bis zu 65 Prozent). Je nach den meteorologischen Bedingungen während der kommenden arktischen Winter kann dieser traurige Rekord noch übertroffen werden. Gome-Karten von stratosphärischem OClO werden vom Institut für Umweltphysik (in Zusammenarbeit mit der Universität Bremen) in nahezu Echtzeit täglich zu Verfügung gestellt (http://www.uphys.uni-heidelberg.de/urmel/atmos.html).

Das Gome-Instrument auf ERS-2 ist nun seit sechs Jahren nahezu ununterbrochen im Einsatz – schon weit über die ursprünglich geplanten vier Jahre hinaus. Die Mission ist bislang äußerst erfolgreich verlaufen. Es ist deshalb zu hoffen, dass weitere Messungen noch möglichst lange fortgeführt werden können. Allerdings steht für die Zeit nach Gome schon ein in vielen Bereichen noch leistungsfähigeres Nachfolgeinstrument in Aussicht: Das "Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography" wird voraussichtlich im Oktober diesen Jahres auf dem Europäischen Forschungssatelliten "ENVISAT" ins Weltall geschossen. Neben der Nadir-Beobachtungsgeometrie (nahezu identisch mit der von Gome) gehören auch Messungen unter seitlichem Winkel in die Erdatmosphäre zum Messprogramm. Hierdurch ist es möglich, auch die Höhenverteilung der atmosphärischen Spurenstoffe mit großer Auflösung zu bestimmen. Außerdem erlaubt ein erweiterter Spektralbereich die zusätzliche Beobachtung der Treibhausgase Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid (Lachgas) sowie Kohlenmonoxid. Diese Entwicklungen werden den Blick in die Troposphäre weiter "schärfen". Siehe auch: http://www.uphys.uni-heidelberg.de/urmel/atmos.html oder http://crusoe.iup.uni-heidelberg.de/luftchem/troposat/

Autoren:
Dr. Thomas Wagner und Prof. Dr. Ulrich Platt,
Institut für Umweltphysik, Im Neuenheimer Feld 229, 69120 Heidelberg,
Telefon (06221) 54 63 14, Fax: (06221) 54 64 05, e-mail: thomas.wagner@iup.uni-heidelberg.de; ulrich.platt@iup-uni-heidelberg.de