Blick aus der DLR Cessna auf die aus einem Polder gewonnene und fast ausschließlich auf intensive Landwirtschaft ausgelegte Landschaft der Provinz Flevoland.
Eddy-Kovarianz-Methode: Schematische Darstellung der turbulenten Grenzschicht über einer Lachgas (N₂O) emittierenden Fläche, mit hohen Mischungsverhältnissen in Auf- und niedrigen in Abwinden (w). Aus der Kovarianz von Mischungsverhältnissen und Vertikalwinden wird die Emissionsstärke abgeschätzt.
Für ausgewählte Flugabschnitte abgeschätzte Lachgas-Emissionsflüsse: für trockene Bedingungen (14a, 26b) und kurz nach Regen (21a, 21b), der eine außergewöhnliche Trockenperiode beendete. Die Emissionen sind hier am Ort der Messung dargestellt; die Quellen liegen am Boden im Luv davon.
Eine IPA-Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Atmospheric Measurement Techniques“ zur Bestimmung von landwirtschaftlichen Emissionen wurde als Highlight-Paper ausgezeichnet.
Ein Forschungsteam des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre hatte ein innovatives flugzeuggestütztes Messsystem eingesetzt, um landwirtschaftliche Emissionen der beiden besonders klimawirksamen Treibhausgase Lachgas (N₂O) und Methan (CH₄) zu quantifizieren.
In den letzten Jahren wurden zwar erhebliche methodische Fortschritte bei der Messung von Treibhausgasemissionen gemacht, allerdings ist die messtechnische Erfassung von Treibhausgasen über landwirtschaftlichen Flächen besonders herausfordernd, unter Anderem weil die Emissionen räumlich sehr variabel und diffus sind. Während bodengestützte Messungen diese Variabilität nur eingeschränkt bzw. punktuell erfassen können, liefern Satellitenbeobachtungen bislang keine zuverlässigen Daten für N₂O Emissionen. Um diese Lücke zu schließen, entwickelte das IPA Team ein neuartiges flugzeuggestütztes Eddy-Kovarianz-System. Dieses kombiniert ein hochfrequent messendes Quanten-Kaskaden-Laser-Spektrometer für CH₄ und N₂O mit meteorologischen Messungen von Wind, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sodass Emissionen von Flächenquellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bestimmt werden können.
Beim ersten Messeinsatz auf der DLR Cessna Grand Caravan im Juni 2023 über intensiver Agrarlandschaft in den Niederlanden zeigte sich, dass die N₂O-Emissionen zeitlich und räumlich sehr variabel waren. Die dort gemessenen N₂O-Emissionsraten gehören zu den weltweit höchsten für landwirtschaftliche Regionen während der Wachstumsperiode im Frühjahr.
Aufnahme aus dem Cockpit der DLR Cessna. Das Wackeln verdeutlicht auf intuitive Weise das Eddy-Kovarianz-Messprinzip: Aufwindbereiche der turbulenten Grenzschicht drücken den Flieger nach oben, Abwindbereiche nach unten. Das gleiche passiert mit am Boden emittierten Treibhausgasen. Bilanziert man nun über eine ausreichend große Flugstrecke den Auf- und Abwärtstransport, so erhält man den netto Vertikalfluss bzw. Treibhausgaseintrag von der Erdoberfläche in die Atmosphäre.
Eddy in Motion
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Eddy in Motion
Aufnahme aus dem Cockpit der DLR Cessna. Das Wackeln verdeutlicht auf intuitive Weise das Eddy-Kovarianz-Messprinzip: Aufwindbereiche der turbulenten Grenzschicht drücken den Flieger nach oben, Abwindbereiche nach unten. Das gleiche passiert mit am Boden emittierten Treibhausgasen. Bilanziert man nun über eine ausreichend große Flugstrecke den Auf- und Abwärtstransport, so erhält man den netto Vertikalfluss bzw. Treibhausgaseintrag von der Erdoberfläche in die Atmosphäre.
Vergleiche mit etablierten Emissionsinventaren zeigen, dass diese Kataster die N₂O-Emissionen während der Wachstumsperiode deutlich unterschätzen und deren jahreszeitliche Dynamik nicht ausreichend abbilden. Dies unterstreicht die Notwendigkeit unabhängiger, beobachtungsbasierter Messungen.
Die Ergebnisse der Messkampagne wurden im Rahmen einer Publikation in der Fachzeitschrift „Atmospheric Measurement Techniques“ veröffentlicht. Die nun als Highlight-Paper ausgezeichnete Arbeit demonstriert die Vorteile des neuen Messsystems: (1) wie die komplexen Prozesse landwirtschaftlicher Emissionen auf regionaler Skala untersucht und quantifiziert werden können, (2) wie modellierte Annahmen in Emissionsinventaren überprüft werden können.
N₂O und CH₄ gehören nach Kohlendioxid zu den wichtigsten vom Menschen verursachten Treibhausgasen und haben ein besonders hohes Klimawirkungspotenzial. Landwirtschaftliche Aktivitäten tragen erheblich zu ihren globalen Gesamtemissionen bei. Die Reduzierung von Unsicherheiten in den Messungen und ein besseres Prozessverständnis sind entscheidend, um die Treibhausgasbudgets besser quantifizieren zu können, was wiederum die Basis für die Priorisierung und spätere Überwachung von Mitigationsmaßnahmen bildet.
Die Studie wurde im Rahmen des DLR-Projektes GHGMon durchgeführt.
Text & Illustrationen: Paul Waldmann
Referenz: Waldmann, P., Eckl, M., Knez, L., Gottschaldt, K.-D., Fiehn, A., Mallaun, C., Gałkowski, M., Kiemle, C., Hutjes, R., Röckmann, T., Chen, H., and Roiger, A.: Quantifying agricultural N2O and CH4 emissions in the Netherlands using an airborne eddy covariance system, Atmos. Meas. Tech., 19, 185–210, https://doi.org/10.5194/amt-19-185-2026, 2026.
Kontakt
Dr. Anke Roiger
Abteilungsleiterin
Institut für Physik der Atmosphäre
Atmosphärische Spurenstoffe
Münchener Straße 20, 82234 Oberpfaffenhofen-Wessling
