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Der atmende Planet

Von Dirk Asendorpf

Wissenschaftler vermessen und analysieren die Erde aus dem All. Wie verändert der Blick von oben unser Verständnis von der Welt?

Der atmende Planet© JohanSwanepoel - Fotolia.comDie Erdbeobachtung mittels Satelliten hat sich zu einer der einflussreichsten Wissenschaftsdisziplinen entwickelt
Unsere Erde atmet - und das vielfach. Ihre hauchdünne Lufthülle pulsiert im Takt ganz unterschiedlicher Rhythmen: Wenn im Frühjahr die Natur aufblüht, sinkt der CO2-Gehalt der Atmosphäre, denn das frische Grün bindet Kohlenstoff. Im Herbst verrotten die abgefallenen Blätter und geben Treibhausgas frei. Ähnliches geschieht beim Methan, das aus auftauenden sibirischen Sümpfen und gefluteten asiatischen Reisfeldern aufsteigt, um dann in der Atmosphäre langsam wieder abgebaut zu werden. Auch andere Rhythmen werden beobachtet: Kurzatmig hecheln die Gezeiten um den Globus. Im Takt der Jahrtausende kommen und vergehen hingegen die Meeresströmungen und Eiszeiten. Und dann gibt es da all die menschlichen Eingriffe: Landwirtschaft und Brandrodung mit ihren jahreszeitlichen Schwankungen, Landflucht hier, Megastadtwachstum dort, Wasser-, Luft- und Lichtverschmutzung.

Von oben, aus der Erdumlaufbahn, erkennen wir vieles davon erst richtig gut. Vor 50 Jahren haben Satelliten begonnen, uns ein ganz neues Bild der Erde zu zeigen. Eine Draufsicht. Sie hat unser Verständnis revolutioniert: Ozeane, Wüsten oder Tropenwälder waren nicht mehr nur unendliche Weiten, sie wurden zu überschaubaren Teilen unseres Blauen Planeten auf seiner Reise durchs All.

Heute ist der faszinierende Blick von ganz oben allgegenwärtig, Google Earth erschließt ihn per Mausklick. Und bunte Animationen, die das komplexe globale Zusammenspiel der Elemente in Wasser, Boden und Luft zeigen, bestimmen zunehmend Umweltbewusstsein und -politik. Wenn der Weltklimarat in wenigen Tagen mit der Veröffentlichung seines fünften Sachstandsberichts beginnt, dann beruhen die darin präsentierten wissenschaftlichen Erkenntnisse mehr denn je auf Satellitendaten. Dass sich die Erdbeobachtung zu einer der einflussreichsten Wissenschaftsdisziplinen entwickelt hat, konnte man gerade beim Living Planet Symposium im schottischen Edinburgh sehen. Fast 2.000 Erdbeobachter debattierten dort über alle Fachgrenzen hinweg. Der Umgangston war so locker wie die Kleiderordnung. Turnschuhe und Polohemden dominierten.

Allerdings begann die Konferenz mit einer Verstimmung. Ausgerechnet zum Tagungsauftakt hatte der Europäische Rat den Entwurf einer EU-Richtlinie auf Eis gelegt. Es ging darum, wer wie Zugang zu den Messdaten der nächsten Generation europäischer Erdbeobachtungssatelliten erhalten soll. Die Europäische Weltraumbehörde Esa betreibt diese. Nachdem Messdaten bislang nur nach Gutdünken veröffentlicht worden waren, wollte die EU-Kommission nun eine »offene Datenpolitik«: freien Zugang also, endlich hätten sich dann die europäischen Verhältnisse den US-amerikanischen angepasst. Denn schon vor über zehn Jahren hat die Nasa alle Daten, die ihre Satellitenflotte Landsat sammelt, freigegeben und damit einen Boom der Geoinformationsbranche ausgelöst.

In Europa jedoch stellen sich einige große Raumfahrtunternehmen quer, sehr zum Ärger der Forscher in Edinburgh. »Der Widerstand kommt vor allem aus Deutschland und Frankreich«, beklagt Barbara Ryan, Direktorin der Group on Earth Observation (GEO) in Genf, die sich für ihre 90 Mitgliedsnationen um die weltweite Zusammenführung aller Erdbeobachtungsdaten bemüht. Um ihr Geschäft mit eigenen hochaufgelösten Satellitenbildern fürchten die deutsche Geoinformationsfirma RapidEye und der deutsch-französische Raumfahrtkonzern Astrium, der erst Anfang des Monats einen Großauftrag von Google vermeldet hat. Es geht um viel Geld - und einen Zukunftsmarkt.

Klimapolizei im Orbit - Wie Satelliten den Ausstoß von Treibhausgasen messen

Wie viel Treibhausgas in der Erdatmosphäre steckt, ist genau bekannt. Seit dem Jahr 1958 wird der CO2- Gehalt täglich auf dem Vulkan Mauna Loa in Hawaii gemessen. In dieser Zeit ist er von unter 320 auf über 400 ppm (parts per million) gestiegen. Eine ähnliche Zunahme gibt es auch beim zweitwichtigsten Treibhausgas, dem Methan. Die Frage nach den Urhebern des Anstiegs ist viel schwieriger zu beantworten. Denn die Treibhausgase verteilen sich in wenigen Wochen gleichmäßig um den Globus. Der Ausstoß einzelner Staaten wird deshalb indirekt berechnet - aus dem Verbrauch fossiler Treibstoffe und aus vielen weiteren Daten über Bodenbeschaffenheit, Land- und Forstwirtschaft, Chemieindustrie und Abfallentsorgung.

Fehler und Betrug sind möglich - keine gute Voraussetzung für seriöse Klimaverhandlungen. Schon lange wird deshalb an einer direkten Messung aus der Erdumlaufbahn gearbeitet. Bisherige Daten zeigen die Stagnation des CO2-Ausstoßes über der US-Ostküste ebenso wie einen raschen Anstieg über China. Allerdings sind diese Messungen recht grob. Erst wenn eine globale Klimapolizei mit Satellitenhilfe in jeden Schornstein und auf jeden Acker gucken könnte, bekäme zum Beispiel der Emissionshandel eine solide Datengrundlage. Doch davon ist die Technik weit entfernt. »Wir sind noch in der Phase der ersten Schwarz-Weiß-Fernseher mit verrauschtem Bild«, sagt der Umweltphysiker Michael Buchwitz, der sich seit über zehn Jahren mit der Auswertung von CO2-Messungen beschäftigt.

Seit Europas größter Umweltsatellit Envisat ausgefallen ist, hat sich die Datenlage sogar verschlechtert. Brauchbare Messungen kommen derzeit nur noch vom japanischen Satelliten Gosat. Im nächsten Jahr will die Nasa einen speziell zur Kohlenstoffmessung konstruierten Satelliten starten, 2017 will China nachziehen. Und bei der Esa liegt ein CarbonSat getaufter Entwurf, über dessen Verwirklichung aber erst in einigen Jahren entschieden wird.
Aktuell kann die Esa noch gar nicht mit den Aufnahmen der Privaten konkurrieren. Bisher hat sie keine ähnlich leistungsfähigen optischen Kameras im Orbit, und bis mindestens 2025 sind auch keine geplant. Zudem hatte sie frühere Versuche beendet, ihre Satellitendaten zu vermarkten. »Mehr als die dafür nötigen Verwaltungskosten hat das sowieso nie eingebracht«, sagt Volker Liebig, für die Erdbeobachtung zuständiger Esa-Direktor.

Tatsächlich geben inzwischen aber die meisten Raumfahrtagenturen die Messwerte ihrer insgesamt rund 50 aktiven Erdbeobachtungssatelliten für die wissenschaftliche Nutzung frei. Der nur noch in Petabyte zu messende Überfluss an Daten steht allerdings noch in erstaunlichem Kontrast zum Kuddelmuddel, der bei der Speicherung und Verteilung am Boden herrscht. Dutzende Organisationen sind dafür zuständig, bisher konnten sie sich nicht auf einheitliche Regeln verständigen. Ihre Datenbanken sind daher oft schwer zu bedienen und online kaum zugänglich.

»Daran scheitern vor allem Wissenschaftler, die nicht permanent mit den Daten arbeiten, sondern diese nur für ein begrenztes Projekt brauchen, zum Beispiel für die Analyse eines drei Jahre zurückliegenden Vulkanausbruchs«, klagt der Bremer Umweltphysiker Michael Buchwitz. Esa-Direktor Liebig ergänzt: »Auch wenn sich die Verfügbarkeit und der internationale Austausch von Satellitendaten in den letzten Jahren deutlich verbessert haben, gibt es immer noch unnötige Hürden.« Er fordert eine offene, freie Datenpolitik. Denn: »Big Data ist das Öl unseres Jahrhunderts.«

Noch sind Europa und die USA führend in der Erdbeobachtung. Aber China holt schnell auf. »In zehn Jahren dürften chinesische Wissenschaftler in der Branche dominieren«, prognostiziert Liebig. Zwischen dem Entwurf und dem Start eines Satelliten vergeht in China viel weniger Zeit als im Rest der Welt. Zudem setzt der große Nachbar auf Kooperation. Im sogenannten Dragon-Programm arbeiten europäische und chinesische Erdbeobachter seit fast zehn Jahren zusammen und nutzen dabei auch die Daten der seit 2008 gestarteten Huanjing-Satelliten. Täglich zeigen sie die Luftverschmutzung über Peking, ausgelaufenes Öl auf dem Meer oder Sandstürme in der Sahara. »Alle Daten stehen zum Download zur Verfügung«, sagt der zuständige Informatiker Yong Xue. In Edinburgh bot er jedermann an, wer die Dateien online nicht finde, könne ihn einfach auf dem Handy anrufen.

Was aber verspricht man sich von allseits zugänglichen Daten? Es geht weniger um spektakuläre Fotos karibischer Wirbelstürme, polarer Gletscherzungen oder nächtlicher Lichtermeere, welche die Raumfahrtagenturen öffentlichkeitswirksam präsentieren. Bilder im sichtbaren Spektrum spielen für die Forschung praktisch keine Rolle. Radarinstrumente, Laser und Infrarotspektrometer füllen die Datenbanken mit abstrakten Daten - die Wissenschaftlern als Rohmaterial für Analysen, Berechnungen und Simulationen dienen. So wird das Atmen des Planeten begreifbar.

Man sieht das Eis aus dem All, doch wie dick ist die Schicht?

Die Grenzen der Erkundung aus dem Orbit zeigt das Beispiel der arktischen Eisdecke: Satelliten erfassen zwar gut ihr saisonales Anwachsen und Wegschmelzen, also die Ausdehnung. Wie dick jedoch das Eis ist, blieb lange unklar. Für die Klimaforschung ist das aber ein wichtiger Faktor (es könnte ja sein, dass fehlendes Eis sich anderswo auftürmt). Seit drei Jahren liefert Europas Satellit CryoSat dazu erste Daten: Das Eis nimmt wohl auch im Volumen ab.

CryoSat misst das allerdings nicht direkt, er stellt nur zentimetergenau fest, wie hoch das Eis über den Meeresspiegel ragt. Wenn die dänische Geophysikerin Sine Hvidegaard daraus das Volumen der Schollen errechnet, muss sie berücksichtigen, ob es sich um kompaktes oder locker mit Schnee überzogenes Eis handelt. Daten anderer Satelliten können darauf Hinweise liefern. »Aber wir machen auch Überflüge«, sagt sie, »und landen auf dem Eis, um es direkt zu untersuchen.«

Ähnliches gilt für alle Bereiche der Erdbeobachtung aus dem Orbit: Erkenntnisse ergeben sich erst im Zusammenspiel mit den Messungen vor Ort, den sogenannten In-situ-Daten. Und die sind in vielen Teilen der Welt noch immer schwer zu beschaffen, etwa auf den Ozeanen oder in militärischen Sperrgebieten. Dann helfen nur Hochrechnungen. Damit ein kleiner Messfehler dabei nicht zu grob verfälschten Ergebnissen führt, müssen die Instrumente auf den Satelliten kalibriert und validiert werden. Dazu dienen regelmäßige sogenannte Kalval-Perioden. Dann nehmen alle Satelliten möglichst große einheitliche Oberflächen ins Visier, zum Beispiel das Railroad Valley, eine Salzwüste in Nevada. Deren Beschaffenheit ist sehr gut dokumentiert, Abweichungen zwischen Satellitenmessung und Realität am Boden fallen schnell auf. Und weil viele Raumfahrtagenturen ihre Satelliten dort kalibrieren, werden unterschiedliche Messwerte vergleichbar. Fällt ein Satellit aus, kann ein anderer dessen Datenreihe fortsetzen.

Eine schlichte Kurve wird zum Hit der Konferenz in Edinburgh

So geschah es nach dem Totalausfall des größten europäischen Umweltsatelliten Envisat, der im April 2012 jäh verstummte. Dessen Radarmessungen der Erdoberfläche führt ein kanadischer Satellit fort. Envisats zehnjährige Messreihe zu Spurengasen in der Atmosphäre brach jedoch ab. Frühestens 2015 kann ein neuer Satellit sie wieder aufnehmen - ein schwerer Rückschlag für eine effektive Überwachung des Treibhausgasausstoßes (siehe Infokasten).

Rund 50 Variablen spielen bei der Erforschung des Klimawandels eine wichtige Rolle. Für etwa die Hälfte davon liefern Satelliten bereits Messreihen, der Rest fehlt noch. Die wichtigsten offenen Fragen hat ein wissenschaftliches Beratergremium der Esa daher in einer Liste mit 25 Unterpunkten zusammengefasst und in Edinburgh zur Diskussion gestellt. Die Planung künftiger Satelliten soll sich nach dieser Liste richten. Ganz am Anfang steht die Frage: Wie stark wird die Erde auf den klar messbaren Anstieg der Treibhausgase reagieren? Die Antwort darauf ist von großer Bedeutung für die künftige Klimapolitik (ZEIT Nr. 38/13).

So viel zu den Pflichten. Euphorie kam in Edinburgh angesichts einer Messung auf, für die das betreffende Instrument gar nicht geschaffen worden war: Der Hit der Konferenz war eine schlichte Kurve. Sie zeigt die Messwerte des Satelliten Goce vom 11. März 2011. Eigentlich kreist er im Orbit, um das Schwerefeld der Erde zu bestimmen. Doch an diesem Vormittag verzeichneten seine Instrumente zwei ungewöhnliche Ausschläge. Sie begannen genau 29 Minuten nach dem großen Fukushima-Beben vor Japans Küste - und dokumentierten die Tsunamiwellen. Goce hatte die Schwerkraft der bewegten Wassermassen, registriert. »Es war das erste Mal, dass ein Erdbeben vom All aus beobachtet wurde«, freut sich der Missionsleiter Rune Floberghagen. Dass eine solche Beobachtung wenig praktischen Nutzen hat - zur Warnung sind Seismografen wesentlich hilfreicher -, trübt die Begeisterung des Forschers nicht im Geringsten.

Einmal mehr hatte die Draufsicht ein weiteres Detail des atmenden Planeten ins Blickfeld befördert. Diese Perspektive verändert auch das Denken. So fordert Alan O'Neill, der Chef des erdwissenschaftlichen Beratungsgremiums der Esa, ein »globales Erdmanagementsystem«, das die Atmung der Erde im Ganzen regelt.

Fragt sich nur, wie das technisch, geschweige denn politisch möglich sein soll - da weder alle Klimavariablen auch nur erfasst sind, noch eine globale Klimaschutz-Einigung realistisch erscheint. Den ganzen Arbeitstag lang die Erde aus der Draufsicht zu betrachten sensibilisiert nicht nur für ihre Verwundbarkeit. Der Blick von oben kann irdische Probleme auch kleiner erscheinen lassen, als sie sind.

Aus DIE ZEIT :: 19.09.2013

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