CO2 als mobiler Bestandteil des Kohlenstoffzyklus
Obwohl bislang noch keine Instrumente speziell zur Überwachung von CO2-Konzentrationen entwickelt wurden, sind bereits HIRS (hochauflösende Infrarotsonden) an Bord von Wettersatelliten der Wetter- und Ozeanografiebehörde der Vereinigten Staaten (NOAA) im Einsatz. Obwohl deren Hauptaufgabe aus der Messung von Temperatur und Wasserdampfgehalt der Erdatmosphäre besteht, kann durch Satellitenbeobachtung auch die Konzentrationsveränderung wichtiger Treibhausgase in der Erdatmosphäre gemessen werden. Kohlenstoffsignaturen (CO2) aus der mittleren und oberen Troposphäre sind nur schwach ausgeprägt und lassen nur begrenzt Rückschlüsse auf globale CO2-Konzentrationen zu. Die von Projektpartnern des COCO-Projekts am französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) entwickelte Methode stellte sich als geeignet für die Erfassung wichtiger Daten zur Verteilung von CO2 und dessen zeitlicher Evolution heraus. Nicht nur die jahreszeitlich bedingten Veränderungen, sondern auch Amplitude und Breitenausdehnung entsprachen In-situ-Beobachtungen durch voll ausgerüstete Linienflugzeuge. Der aus den Beobachtungen abgeleitete Jahrestrend korrespondierte außerdem mit der bereits bekannten CO2-Konzentrationserhöhung als Ergebnis menschlicher Eingriffe in die Umwelt. Bereits stattgefundene und, was noch wichtiger ist, zu erwartende Veränderungen wurden mit dem Fernsehkamera- und Infrarotbeobachtungssatelliten TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) der NOAA erforscht. Die mit TOVS gemessenen Strahlungen wurden anschließend mithilfe genauer Berechnungen vorwärts gerichteter Strahlungen und konstanter Spezifikationen für Spurengase simuliert. Durch eine Analyse der Unterschiede zwischen gemessenen und simulierten TOVS-Brightness-Temperaturen konnten Signaturen der jährlichen und jahreszeitlich bedingten Veränderung der CO2-Konzentrationen eindeutig belegt werden. Weiterhin wurde ein nicht-lineares Regressions-Inversions-Modell entwickelt, um die Unterschiede zwischen Satellitenbeobachtungen und Radiosondenmessungen sowie die ungleichmäßige Verteilung von Radiosondenstationen anzugehen. Gestützt auf Beobachtungen des einzigen Satelliten, wobei das nicht-lineare Regressions-Inferenz-Schema auf einem neuralen Multilayer-Perceptron-Netzwerk (MLP) basierte, wurden globale Karten monatlicher CO2-Durchschnittskonzentrationen erstellt. Demnächst erfolgt eine Analyse der Daten von Wettersatelliten, die seit fast 25 Jahren im NOAA-Archiv erfasst werden, um so das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs zu verbessern.
