Mapping ammonia emission plumes using shortwave infrared imaging spectroscopy

Stellen Sie sich die Atmosphäre wie einen riesigen, unsichtbaren Ozean aus Luft vor, den wir alle gemeinsam teilen. Manchmal wird dieser Ozean mit unsichtbaren Gasen verschmutzt, die unserer Gesundheit schaden und die Natur verletzen können. Ein solches Gas ist Ammoniak. Sie kennen es vielleicht von dem stechenden Geruch von Reinigungsmitteln, aber am Himmel stammt es hauptsächlich aus der Landwirtschaft und aus Fabriken. Wenn zu viel Ammoniak herumschwebt, kann es sich in winzige, schädliche Staubpartikel verwandeln, die wir einatmen, oder es kann auf Wälder und Seen niedergehen und wie ein giftiger Dünger wirken, der das empfindliche Gleichgewicht der Natur stört.

Lange Zeit haben Wissenschaftler versucht, diese unsichtbaren Ammoniakwolken mit speziellen Kameras zu verfolgen, die nach „Hitze“ suchen. Denken Sie daran wie beim Versuch, eine warme Tasse Kaffee in einem kalten Raum zu entdecken; die Kamera sieht den Temperaturunterschied. Aber diese Methode hat einige große Probleme. Sie funktioniert nur gut, wenn der Boden eine andere Temperatur als die Luft hat, sie hat Schwierigkeiten, kleine oder verborgene Quellen zu erkennen, und die Kameras auf Satelliten sind oft zu unscharf, um etwas zu sehen, das kleiner als ein ganzer Stadtblock ist. Es ist, als würde man versuchen, eine Zeitung aus einer Meile Entfernung mit einem Teleskop zu lesen, das nur im Dunkeln sieht.

Nun hat ein Team von Forschern einen cleveren neuen Weg gefunden, um diese Ammoniakwolken aufzuspüren. Anstatt nach Hitze zu suchen, haben sie beschlossen, zu schauen, wie dieses Gas das Sonnenlicht blockiert. Sie nutzten einen Satelliten namens Tanager-1, der wie eine super-mächtige Kamera wirkt, die Licht in einem Teil des Spektrums sieht, das wir mit unseren Augen nicht sehen können. Durch die Analyse dessen, wie das Sonnenlicht vom Boden reflektiert wird und wie viel Licht von den Ammoniakmolekülen „gestohlen“ wird, konnten sie die Verschmutzungswolken mit unglaublicher Schärfe kartieren. Sie haben nicht nur geraten; sie haben das Gas gemessen, das aus spezifischen Fabriken in Pakistan und Usbekistan austritt, und damit bewiesen, dass diese neue „Sonnenlicht-Detektiv“-Methode funktioniert und uns helfen kann, Verschmutzungen zu sehen, die zuvor im Schatten verborgen waren.

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Der Sonnenlicht-Detektiv: Die unsichtbaren Wolken aufspüren

Jahrelang war das Verfolgen der unsichtbaren Wolken aus Ammoniakverschmutzung wie der Versuch, einen Geist in einem nebligen Raum mit einer Wärmebildkamera zu finden. Wenn der Geist (das Ammonik) nicht eine andere Temperatur hat als der Raum (die Luft), kann die Kamera ihn nicht sehen. Zudem sind die alten Kameras auf Satelliten so unscharf, dass sie nur massive, isolierte Wolken erkennen können und dabei kleinere, heimliche Lecks von Fabriken und Farmen übersehen.

Doch in dieser neuen Studie haben die Forscher beschlossen, die Spielregeln zu ändern. Anstatt nach Hitze zu jagen, entschieden sie sich, nach Schatten zu jagen. Sie erkannten, dass Ammoniak einen speziellen „Fingerabdruck“ im kurzwelligen Infrarotbereich des Sonnenlichts besitzt. Wenn Sonnenlicht auf den Boden trifft und wieder nach oben reflektiert wird, wirken Ammoniakmoleküle in der Luft wie winzige, unsichtbare Sonnenbrillen, die bestimmte Farben dieses Lichts blockieren. Indem sie genau messen, wie viel Licht fehlt, können die Wissenschaftler genau bestimmen, wie viel Ammoniak vorhanden ist.

Das neue Werkzeug: Tanager-1
Um diese Idee zu testen, nutzte das Team Daten von einem Satelliten namens Tanager-1. Stellen Sie sich diesen Satelliten wie einen Hochgeschwindigkeits-Scanner vor, der Bilder der Erdoberfläche in winzigen 30-Meter-Quadraten aufnimmt. Das entspricht etwa der Größe eines großen Hauses oder eines kleinen Parks. Dies ist eine enorme Verbesserung gegenüber den alten Satellitenkameras, die vielleicht nur einen ganzen Stadtblock auf einmal sehen können.

Die Wissenschaftler verwendeten einen mathematischen Trick namens „Matched Filter“ (Korrelationsfilter). Denken Sie an diesen Prozess wie an das Besitzen eines spezifischen „Steckbriefs“ für den Ammoniak-Fingerabdruck. Der Computer scannt jedes einzelne Pixel des Satellitenbildes und vergleicht das sichtbare Licht mit dem „Steckbrief“. Wenn das Licht dem Muster entspricht, bei dem Ammoniak die Sonne blockiert, markiert der Computer dies. Sie haben nicht nur das ganze Bild betrachtet; sie sind herangezoomt, um die exakte Form der Verschmutkungswolken zu finden, die von den Quellen wegtreiben.

Die große Entdeckung: Die verborgenen Lecks finden
Das Team setzte seine neue Methode an zwei Orten auf die Probe: in Pakistan und Usbekistan. Sie untersuchten industrielle Düngemittelanlagen, die dafür bekannt sind, Ammoniak freizusetzen.

• In Pakistan: Sie fanden eine massive Wolke, die von einer Düngemittelfabrik ausging. Sie berechneten, dass allein diese Anlage 837 kg h⁻¹ Ammoniak ausstößt.
• In Usbekistan: Sie entdeckten zwei nahegelegene Quellen. Eine gab 781 kg h⁻¹ ab, die andere 908 kg h⁻¹, was eine Gesamtsumme von 1689 kg h⁻¹ ergibt.

Die Arbeit überprüfen
Nun könnten Sie sich fragen: „Könnte das ein Fehler sein? Vielleicht hat der Satellit Ammoniak mit Wasserdampf oder Methan verwechselt?“ Die Forscher waren sehr sorgfältig. Sie überprüften ihre Arbeit, indem sie verschiedene Lichtfenster betrachteten (speziell 1425–1575, 1850–2100 und 2175–2300 nm). In jedem einzelnen Fall zeigten die Ammoniakwolken immer noch deutlich sichtbar an, was bewies, dass sie nicht bloß andere Gase sahen.

Wie verhält sich das zur alten Methode?
Die Forscher verglichen ihre neuen Zahlen mit den Berichten älterer, unscharfer Wärmebild-Satellitenkameras aus der Vergangenheit.

• Für den Standort in Pakistan schätzten ältere Studien unter Verwendung von Wärmekameras das Leck auf zwischen 3212–8035 kg h⁻¹.
• Für den Standort in Usbekistan schätzte eine ältere Studie 2714 kg h⁻¹.

Die neuen Zahlen sind niedriger. Die Autoren vermuten, dass dies daran liegen könnte, dass die alten Wärmekameras empfindlich auf Annahmen darüber reagierten, wie lange das Gas in der Luft bleibt, oder dass sie versehentlich Gas von benachbarten Quellen als einen einzigen großen Klumpen gezählt haben. Die neue Methode mit ihrer scharfen 30-Meter-Sicht ermöglicht einen viel präziseren Blick darauf, woher das Gas tatsächlich kommt.

Warum das wichtig ist
Diese Studie ist ein „Proof of Concept“, was bedeutet, dass es das erste Mal ist, dass jemand erfolgreich gezeigt hat, dass man Ammoniak mithilfe von reflektiertem Sonnenlicht anstatt von Hitze kartieren kann. Es ist nicht nur eine Theorie; sie haben tatsächlich reale Emissionen von realen Fabriken gemessen.

Das Beste daran? Dies ist kein Einzelfall. Es gibt bereits andere Satelliten und Flugzeuge, die mit Kameras fliegen, die dieselben Wellenlängen des Lichts sehen können (wie AVIRIS, EMIT, PRISMA und EnMAP). Diese Entdeckung bedeutet, dass wir nicht auf brandneue, teure Satelliten warten müssen, um Ammoniakverschmutzung klar zu sehen. Wir können die Werkzeuge nutzen, die wir bereits haben, um eine viel schärfere, häufigere Karte der weltweiten Ammoniakaustöße zu erstellen und so dabei zu helfen, unsere Ökosysteme und unsere Gesundheit zu schützen.