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Zentrum für Technomathematik

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Inverse Bestimmung von Treibhausgasquellen

Arbeitsgruppe:AG Technomathematik
Leitung: Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Maaß ((0421) 218-63801, E-Mail: pmaass@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Nils Hase
Projektpartner: Institut für Umweltphysik, Universität Bremen
Max Planck Institut für Biogeochemie, Jena
Carnegie Institution for Science, Stanford, USA
Laufzeit: seit 01.03.2014
Bild des Projekts Inverse Bestimmung von Treibhausgasquellen

Methanmessungen in den USA im Sommer 2008 als Grundlage der Inversion.



Mittlerweile ist verstanden, dass der global beobachtbare Anstieg der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen hauptsächlich durch die Industrialisierung und die damit einhergehenden Emissionen durch Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas entstanden ist. Die erhöhten atmosphärischen Konzentrationen verstärken den natürlichen Treibhauseffekt und verursachen eine Erwärmung der Atmosphäre mit weitreichenden Einflüssen auf das gesamte Klima und den Lebensraum Erde. Um die Folgen des Klimawandels mit Hilfe von Modellrechnungen abschätzen zu können, ist zunächst ein genaueres Verständnis des Klimasystems notwendig. Dazu gehört auch die Bestimmung von Quellen und Senken der Treibhausgase, mit der sich dieses Forschungsprojekt befasst.

Das Hintergrundsignal der Messstationen, das den globalen Konzentrationsanstieg zeigt, ist überlagert von einem lokalen, variierenden Signal. Aus diesem können Rückschlüsse auf die Emissionen der Umgebung gewonnen werden. Dazu werden für jeden Messpunkt mit Hilfe von Wetterdaten und einem atmosphärischen Transportmodell sogenannte Footprints berechnet. Diese zeigen an, wie groß der Einfluss der windaufwärtigen Gebiete auf den gemessenen Konzentrationswert war. Aus genügend vielen Messwerten und den zugehörigen Footprints kann so durch Lösung des inversen Problems eine Landkarte mit Quellen und Senken berechnet werden.

In einem realitätsnahen Szenario zur Bestimmung von Methanemissionen in den USA wurde das mathematische Problem zunächst umfassend untersucht. Es zeigt sich, dass die Tikhonov-Regularisierung mit Sparsity-Strafterm und Positivitätsnebenbedingung ein genaueres Bestimmen der Quellen als klassische Ansätze ermöglicht und außerdem sensitiver gegenüber hinreichend großen Emissionen ist.

Nun sollen die untersuchten Inversionsansätze auf reale Daten angewendet werden. Von aktuellem Interesse sind dabei Methanemissionen wie sie durch das Fracking bei der Erdöl- und Erdgasgewinnung entstehen sowie von Feucht- oder Permafrostgebieten. Dazu müssen die Methoden speziell auf das Problem angepasst werden, beispielsweise indem die Inversion mit linearen Emissionsmodellen gekoppelt wird.

Im Zuge der Bearbeitung haben sich neben der uni-internen Partnerschaft mit dem Institut für Umweltphysik Kooperationen mit dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und der Carnegie Institution for Science, Department of Global Ecology in Stanford ergeben. Im Rahmen eines mehrmonatigen, vom DAAD geförderten Forschungsaufenthaltes in Stanford konnte diese Zusammenarbeit vertieft werden.


Treibhaus_1 Treibhaus_1
  Zeitreihe der Methankonzentrationen auf Mauno Loa, Hawaii.






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Invers bestimmte Methanemissionen in den USA für den Sommer 2008.