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Durchbruch bei der Erfassung von CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen

Wissenschaftlern ist es gelungen, Veränderungen der Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen sehr viel schneller als zuvor zu erfassen. Mit einer neuen Methode kombinierten sie atmosphärische Messungen von Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2) von der Nordküste Großbritanniens. So konnten sie zwischen natürlichen CO2-Abgaben der Landoberfläche und denen aus fossilen Brennstoffen unterscheiden. Sie fanden einen klaren Rückgang der CO2–Emissionen fossilen Ursprungs während der Corona-Pandemie. Die Studie, unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie, wurde am 22.04. in Science Advances veröffentlicht.

In der Atmosphäre sammeln sich Treibhausgase aus verschiedenen Quellen. Das mit Abstand häufigste Treibhausgas, Kohlendioxid, kommt hauptsächlich aus natürlichen Vorgängen der belebten Landoberfläche (Biosphäre) und aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen. Daher waren diese anthropogen verursachten CO2-Emissionen bisher nicht getrennt messbar. Auch war es bislang nicht möglich, CO2-Emissionen auf regionaler Ebene mit hoher Genauigkeit und nahezu in Echtzeit zu bestimmen.

Mit einer in Science Advances neu veröffentlichten Methode, unter Einbeziehung atmosphärischer Sauerstoff (O2)-Messungen, können Forscher nun zwischen CO2-Emissionen aus anthropogenen und natürlichen Quellen unterscheiden. Die Methode beruht darauf, dass das mengenmäßige Verhältnis zwischen CO2 und O2 für die verschiedenen Prozesse in der Biosphäre bekannt ist, und aus den atmosphärischen Messungen des gesamten CO2 herausgerechnet werden kann. In dem „top-down“-Ansatz der atmosphärischen Messungen kann somit das CO2 aus fossilen Brennstoffen erkannt werden.

Das Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern der University of East Anglia (U.K.), der Universität Wageningen (Niederlande) und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (Deutschland), nutzte hierfür hochpräzise, stündliche Messungen von atmosphärischem O2 und CO2, die über 10 Jahre vom Weybourne Atmospheric Observatory an der Nordküste Englands erfasst wurden. Sie ermittelten so die gemessenen CO2-Emissionen vor der Corona-Pandemie und berechneten in Modellen mit maschinellem Lernen die erwarteten Emissionen, die ohne Pandemie aufgetreten wären. Anschließend verglichen sie diese Schätzung mit dem tatsächlich in den Jahren 2020-2021 gemessenen und errechneten CO2, wodurch eine Verringerung der anthropogenen CO2-Emissionen während der Pandemie klar erkennbar wurde.

"Unsere Studie ist ein großer Erfolg in der Atmosphärenforschung. Bislang war es nicht möglich, durch atmosphärische top-down Messungen Veränderungen der CO2-Emissionen – zum Beispiel durch die Corona-Pandemie – nachzuweisen“, sagt die Hauptautorin Dr. Penelope Pickers von der University of East Anglia. „Mehrere andere Studien, die sich ausschließlich auf CO2-Daten stützten, waren erfolglos, da die starken Emissionen von Landpflanzen die CO2-Signale in der Atmosphäre verdecken“, ergänzt Dr. Christoph Gerbig, Mitautor vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena.

Ein entscheidender Vorteil ist auch, dass dieser O2-basierte Ansatz viel schneller Emissionsänderungen auf regionaler Skala erkennen kann, allerdings keine absoluten Werte. Die Forscher können also Veränderungen der CO2-Emissionen mit höherer Frequenz erkennen, z. B. in täglichen Schätzungen, und auf kleinen regionalen Skalen.

Die Ergebnisse der neuen Methode stimmen gut mit drei langwierigen, unabhängigen Emissionsschätzungen überein, die unterschiedliche Methoden und Datenkombinationen verwendeten und während der Pandemie von Großbritanniens Wirtschaftsministerium und den internationale Organisationen „Global Carbon Budget“ und „Carbon Monitor“ erstellt wurden.

Für den Kampf gegen den Klimawandel ist die neue Methode von hoher Bedeutung: "Wenn wir Menschen unsere CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen und unsere Auswirkungen auf das Klima reduzieren wollen, müssen wir zuerst wissen, wie viel wir emittieren und wie sich die Emissionen verändern“, sagt Gerbig. "Wir brauchen zuverlässige CO2-Emissionsschätzungen, und zwar schnell und in feineren Maßstäben“, so Gerbig weiter.

Derzeit werden regionale und nationale CO2-Emissionen mit einem „bottom-up“-Ansatz an die Politik gemeldet, ohne tatsächliche Messungen in der Atmosphäre. Dabei werden CO2-Bilanzierungsmethoden angewandt, die Emissionsfaktoren mit Energiestatistiken zur Berechnung der Emissionen kombinieren. Diese werden dann in nationalen Verzeichnissen der geschätzten anthropogenen Treibhausgasemissionen zusammengestellt. Die Verzeichnisse können in verschiedenen Ländern jedoch sehr unsicher oder ungenau sein. Außerdem kann es Jahre dauern, bis die Bilanzierungen abgeschlossen sind, und auf regionaler Ebene oder auf monatlicher oder wöchentlicher Basis sind die Unsicherheiten noch viel größer. Alle diese Einschränkungen machen es schwieriger, die politischen Klima-Ziele zu erreichen.

"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Netzwerk von kontinuierlichen Messstellen ein großes Potenzial für die Bewertung des CO2 aus fossilen Brennstoffen auf regionaler Ebene haben könnte", sagt Gerbig. Hierzu gibt es bereits nationale und internationale Messnetze, die allerdings zur Nutzung der neuen Methode weiter ausgebaut werden müssten.

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Durchbruch bei der Erfassung von CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen

Wissenschaftlern ist es gelungen, Veränderungen der Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen sehr viel schneller als zuvor zu erfassen. Mit einer neuen Methode kombinierten sie atmosphärische Messungen von Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2) von der Nordküste Großbritanniens. So konnten sie zwischen natürlichen CO2-Abgaben der Landoberfläche und denen aus fossilen Brennstoffen unterscheiden. Sie fanden einen klaren Rückgang der CO2–Emissionen fossilen Ursprungs während der Corona-Pandemie. Die Studie, unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie, wurde am 22.04. in Science Advances veröffentlicht.

In der Atmosphäre sammeln sich Treibhausgase aus verschiedenen Quellen. Das mit Abstand häufigste Treibhausgas, Kohlendioxid, kommt hauptsächlich aus natürlichen Vorgängen der belebten Landoberfläche (Biosphäre) und aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen. Daher waren diese anthropogen verursachten CO2-Emissionen bisher nicht getrennt messbar. Auch war es bislang nicht möglich, CO2-Emissionen auf regionaler Ebene mit hoher Genauigkeit und nahezu in Echtzeit zu bestimmen.

Mit einer in Science Advances neu veröffentlichten Methode, unter Einbeziehung atmosphärischer Sauerstoff (O2)-Messungen, können Forscher nun zwischen CO2-Emissionen aus anthropogenen und natürlichen Quellen unterscheiden. Die Methode beruht darauf, dass das mengenmäßige Verhältnis zwischen CO2 und O2 für die verschiedenen Prozesse in der Biosphäre bekannt ist, und aus den atmosphärischen Messungen des gesamten CO2 herausgerechnet werden kann. In dem „top-down“-Ansatz der atmosphärischen Messungen kann somit das CO2 aus fossilen Brennstoffen erkannt werden.

Das Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern der University of East Anglia (U.K.), der Universität Wageningen (Niederlande) und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (Deutschland), nutzte hierfür hochpräzise, stündliche Messungen von atmosphärischem O2 und CO2, die über 10 Jahre vom Weybourne Atmospheric Observatory an der Nordküste Englands erfasst wurden. Sie ermittelten so die gemessenen CO2-Emissionen vor der Corona-Pandemie und berechneten in Modellen mit maschinellem Lernen die erwarteten Emissionen, die ohne Pandemie aufgetreten wären. Anschließend verglichen sie diese Schätzung mit dem tatsächlich in den Jahren 2020-2021 gemessenen und errechneten CO2, wodurch eine Verringerung der anthropogenen CO2-Emissionen während der Pandemie klar erkennbar wurde.

"Unsere Studie ist ein großer Erfolg in der Atmosphärenforschung. Bislang war es nicht möglich, durch atmosphärische top-down Messungen Veränderungen der CO2-Emissionen – zum Beispiel durch die Corona-Pandemie – nachzuweisen“, sagt die Hauptautorin Dr. Penelope Pickers von der University of East Anglia. „Mehrere andere Studien, die sich ausschließlich auf CO2-Daten stützten, waren erfolglos, da die starken Emissionen von Landpflanzen die CO2-Signale in der Atmosphäre verdecken“, ergänzt Dr. Christoph Gerbig, Mitautor vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena.

Ein entscheidender Vorteil ist auch, dass dieser O2-basierte Ansatz viel schneller Emissionsänderungen auf regionaler Skala erkennen kann, allerdings keine absoluten Werte. Die Forscher können also Veränderungen der CO2-Emissionen mit höherer Frequenz erkennen, z. B. in täglichen Schätzungen, und auf kleinen regionalen Skalen.

Die Ergebnisse der neuen Methode stimmen gut mit drei langwierigen, unabhängigen Emissionsschätzungen überein, die unterschiedliche Methoden und Datenkombinationen verwendeten und während der Pandemie von Großbritanniens Wirtschaftsministerium und den internationale Organisationen „Global Carbon Budget“ und „Carbon Monitor“ erstellt wurden.

Für den Kampf gegen den Klimawandel ist die neue Methode von hoher Bedeutung: "Wenn wir Menschen unsere CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen und unsere Auswirkungen auf das Klima reduzieren wollen, müssen wir zuerst wissen, wie viel wir emittieren und wie sich die Emissionen verändern“, sagt Gerbig. "Wir brauchen zuverlässige CO2-Emissionsschätzungen, und zwar schnell und in feineren Maßstäben“, so Gerbig weiter.

Derzeit werden regionale und nationale CO2-Emissionen mit einem „bottom-up“-Ansatz an die Politik gemeldet, ohne tatsächliche Messungen in der Atmosphäre. Dabei werden CO2-Bilanzierungsmethoden angewandt, die Emissionsfaktoren mit Energiestatistiken zur Berechnung der Emissionen kombinieren. Diese werden dann in nationalen Verzeichnissen der geschätzten anthropogenen Treibhausgasemissionen zusammengestellt. Die Verzeichnisse können in verschiedenen Ländern jedoch sehr unsicher oder ungenau sein. Außerdem kann es Jahre dauern, bis die Bilanzierungen abgeschlossen sind, und auf regionaler Ebene oder auf monatlicher oder wöchentlicher Basis sind die Unsicherheiten noch viel größer. Alle diese Einschränkungen machen es schwieriger, die politischen Klima-Ziele zu erreichen.

"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Netzwerk von kontinuierlichen Messstellen ein großes Potenzial für die Bewertung des CO2 aus fossilen Brennstoffen auf regionaler Ebene haben könnte", sagt Gerbig. Hierzu gibt es bereits nationale und internationale Messnetze, die allerdings zur Nutzung der neuen Methode weiter ausgebaut werden müssten.

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