Stark unterschätzte Methanquellen: Gewässer im Amazonas-Regenwald

Umfangreiche Flugzeugmessungen zeigen, dass die Methanemissionen in den Amazonas-Feuchtgebieten deutlich höher sind als angenommen. 

Auf den Punkt gebracht:

• Flüsse als Hauptquelle: Emissionen des hochwirksamen Treibhausgases in Bereichen entlang von Flüssen und Nebenflüssen bis zu viermal höher als bisher berechnet.
• Abweichung von Modell und Messung: Die größten Abweichungen zwischen Modellvorhersagen und Messungen finden sich in großen Flussdeltas, Stauseen und regelmäßig überschwemmten Gebieten im Amazonasbecken. Allein in Flussdeltas wurden die Methanemissionen um bis zu 26% unterschätzt.
• Für verlässliche Klimaprognosen: Ergebnis unterstreicht die Notwendigkeit, die Beobachtungsinfrastruktur in tropischen Regionen zu stärken und Klimamodelle mit realen Messdaten zu kalibrieren.

Methan (CH₄) ist ein starkes Treibhausgas, dessen Konzentration in der Erdatmosphäre in den vergangenen Jahrzehnten stark angestiegen ist. Feuchtgebiete gelten als die größte natürliche Quelle für Methan, doch die genaue Höhe der Emissionen ist unklar. Insbesondere ist ungewiss, wie stark die Methanfreisetzung aus Feuchtgebieten aufgrund des Klimawandels zunehmen könnte. Tropische Feuchtgebiete, darunter auch im Amazonas, tragen erheblich zur globalen Methanfreisetzung bei. Die genaue Abschätzung der Emissionsquellen und -mengen ist jedoch nach wie vor schwierig. Ein Grund dafür sind fehlende Messdaten, insbesondere in den Tropen, wo dichte Wolkendecken die Satellitenbeobachtung erschweren und es nur wenige bodengestützte Messungen gibt.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie hat nun mithilfe von Flugzeugmessungen festgestellt, dass die tatsächlichen Emissionen im Amazonasgebiet deutlich höher waren als von Klima- und Erdsystem-Modellen ermittelt. In bestimmten Gebieten wird sogar viermal so viel Methan abgegeben wie zuvor berechnet. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Geophysical Research Letters“ veröffentlicht. Sie sind von großer Bedeutung für die Genauigkeit von Klimaprognosen.

Etablierte Modelle stoßen an Grenzen

„Die Abweichungen zwischen Modellberechnungen und Realität haben mich motiviert, herauszufinden, woher das fehlende Methan stammt,“ sagt Linda Ort vom Max-Planck-Institut für Chemie. Die Atmosphärenchemikerin und Erstautorin der Studie stellt fest, dass in Flughöhen ab sechs Kilometer die Mess- und die Modelldaten recht gut übereinstimmen. Je kleiner der Abstand zur Erdoberfläche jedoch war, umso größer wurden die Abweichung. Die gemessenen Methanwerte lagen im Durchschnitt etwa doppelt so weit über dem Hintergrundwert wie die entsprechenden Modellwerte. Zum Zeitpunkt der Messung im Dezember 2022 und Januar 2023 betrug der Hintergrundwert in der Atmosphäre etwa 1907 Teile pro Milliarde (ppb), ist seitdem jedoch erneut angestiegen. Die Einheit ppb (parts per billion) wird dabei verwendet, um sehr geringe Mischungsverhältnisse, wie sie bei Spurengasen in der Atmosphäre auftreten, präzise zu beschreiben. Die Ursache sieht Ort darin, dass sich Methan in großen Höhen atmosphärisch gut durchmischt und die Modelle den Transport von Luftmassen und Durchmischungseffekte gut abbilden. Für niedrigere Höhen versagen die Modelle jedoch.

Bei genauerer Betrachtung hinsichtlich der Quellen zeigte sich, dass an einigen Stellen in den Amazonas-Feuchtgebieten bis zu viermal so viel Methan in die Luft abgeben wird wie bisher angenommen. Unterteilt in die Art der Feuchtgebiete waren die Werte zum Beispiel an Flussdeltas um 26 Prozent erhöht, an Stauseen um 19 Prozent, und an regelmäßig überschwemmten Flussgebieten um 13 Prozent.

Die Forschenden sammelten ihre Daten über einen Zeitraum von zwei Monaten zwischen Dezember 2022 und Januar 2023. Dieses Zeitfenster liegt genau im Übergang von der Trocken- zur Regenzeit – einer Phase, in der typischerweise keine Brandrodung stattfindet und somit die Messungen nicht durch menschliche Eingriffe verfälscht wurden. In der eigentlichen Regenzeit sind die Methanemissionen zwar nochmals höher, in der Trockenzeit allerdings niedriger, wodurch sich die Mengen in etwa ausgleichen. Somit entsprechen die zwei Monate, in denen die Messungen stattfanden, in etwa dem Jahresmittel der Feuchtgebietsemissionen.

Umfangreiche Messflüge zwischen Trocken- und Regenzeit

Mit Hilfe von Sensoren an Bord des Forschungsflugzeugs HALO maßen Ort und das internationale Team die Methankonzentrationen in unterschiedlichen Höhen über einer riesigen Fläche des brasilianischen Regenwalds. Die Flughöhe reichte von nur 200 Metern über den Baumwipfeln bis in über 14 Kilometer Höhe. An über 7.000 Messpunkten erfassten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die Daten mit einem speziell für den Einsatz an Bord von HALO entwickelten Absorptionsspektrometer, das das Spurengas Methan auch bei niedrigen Luftdrücken, wie sie in großen Höhen herrschen, präzise bestimmt.

Für ihre Analysen unterteilten sie die gesamte Amazonasregion in Rasterzellen von 0,1 Grad × 0,1 Grad - eine für Emissionskarten hohe Auflösung. Um das in der Luft gemessene Methan dann den Quellen am Boden zuordnen zu können, berechneten die Forschenden mithilfe eines Transportmodells den Weg der Luftmassen zeitlich rückwärts bis zur jeweiligen Rasterzelle am Boden. Mithilfe eines für Feuchtgebiete gut etablierten Modellsatzes der NASA und eines komplexen numerischen Verfahrens berechneten sie dann die tatsächlich freigesetzten Methanmengen. Der Modellsatz der NASA schätzt Methanemissionen indirekt auf Basis von Satellitenmessungen der Bodenbeschaffenheit wie Feuchtigkeit, Vegetation und Temperatur ab.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass es in tropischen Feuchtgebieten wie dem Amazonas-Regenwald noch viele unterschätzte Methanquellen gibt,“ sagt Linda Ort, die bei vielen Messflügen mit an Bord war. Um die teils stark variierenden Methanquellen besser identifizieren zu können und Klima- und Erdmodelle zu verbessern, seien laut Ort mehr Messdaten nötig.

Methanemissionen: 35% aus der Natur, 65% menschengemacht

Rund 65 Prozent der weltweiten Methanemissionen stammen aus anthropogenen Quellen wie der Landwirtschaft, der Gewinnung und Nutzung von fossilen Brennstoffen und der Abfallwirtschaft. Die übrigen 35 Prozent werden bei natürlichen Prozessen freigesetzt. So entsteht Methan in größeren Mengen, wenn organisches Material, wie abgestorbene Pflanzen und Blätter, unter Wasser von Mikroorganismen zersetzt wird. Ein Beispiel hierfür sind Staudämme, wenn dabei große Waldflächen überschwemmt werden. Die künstlichen Bauwerke dienen in der Regel der Stromgewinnung, gelten aber als natürliche Methanquellen.

„Diese Ergebnisse unterstreichen wie wichtig es ist, die Prozesse besser zu verstehen, die die Methanbildung in Feuchtgebieten steuern", sagt Eric Kort, Direktor der Abteilung Atmosphärenchemie am Max-Planck-Institut für Chemie und Mitautor der Studie. „Um den globalen Methanhaushalt zuverlässig zu erfassen, brauchen wir deutlich mehr Messungen nicht nur im Amazonasgebiet, sondern auch in anderen datenarmen Tropenregionen wie Zentralafrika und Südostasien.“

Beteiligte Institutionen

Die Studie wurde von einem internationalen Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz durchgeführt. Beteiligt waren zudem Wissenschaftler:innen der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, des Forschungszentrums Jülich, des Cyprus Institute in Nikosia, Zypern, des California Institute of Technology in Pasadena, USA, sowie der University of Washington und der University of Michigan, USA.

Hintergrund: Kampagne CAFE Brazil

Die Flugzeugmessungen zu den Methanemissionen waren Teil der wissenschaftlichen Kampagne CAFE BRAZIL (Chemistry of the Atmosphere: Field Experiment in Brazil). Mit dem Forschungsflugzeug HALO untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Dezember 2022 und Januar 2023 die natürlichen chemischen Prozesse über dem Amazonas-Regenwald; Ballons, Drohnen und die Forschungsstation ATTO ergänzten die Messungen vom Boden aus. Ein Ziel war es zu verstehen, wie sich der Wald und seine Pflanzenemissionen auf atmosphärische Prozesse wie die Entstehung von Wolken auswirken. Entscheidend für die Umsetzung der Forschungsmission war die Zusammenarbeit mit lokalen Partnern in Brasilien: Forscher:innen des INPA (National Institute of Amazonian Research) sowie der Universität São Paulo brachten ihre Expertise vor Ort ein.