Climate change is a major threat to ecosystems and livelihoods, requiring urgent cuts in greenhouse gas emissions. Food systems, including crop and livestock production, contribute significantly to global emissions. Monocultures and intense farming worsen biodiversity loss, pollution, and water stress. Transitioning to plant-based diets and adopting better farming practices is essential to meet the Paris Agreement goals. This report shares findings from the project “Ambitious GHG Reduction in Agriculture: Analysis of Sustainable Potentials in Selected Priority Countries" (FKZ 3720 41 504 0) which identifies key options for reducing emissions in agriculture, implementation barriers, and solutions. It emphasizes the importance of tailored approaches and the role of agriculture in climate targets, sustainable development, and food security. Veröffentlicht in Climate Change | 38/2025.
Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.
Ziel des Projektes ist die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Abgasfahnen großer urbaner Flächenquellen (Millionenstädte) in Europa und Asien mittels eines neuartigen 2D bzw. 3D DOAS-Fernerkundungsinstruments. Die Arbeiten sind Teil der für das deutsche Forschungsflugzeug HALO geplanten EMerGe Mission, eine zusätzliche Beteiligung an der CAFE Mission wird gegenwärtig noch untersucht. Flugzeuggebundene Beobachtungen des HAIDI-Instruments ermöglichen die Messungen von Schlüsselparametern der von Flächenquellen ausgehenden Fahnen, wie z.B. der Spurengase NO2, HCHO, SO2, CHOCHO, BrO, IO, OClO, H2O, O4 und O3 sowie von optischen Eigenschaften des Aerosols. Die räumliche Auflösung der resultierenden 2D-Karten der Spurenstoffverteilungen ist besser als 100m, die Breite des Abtaststreifens etwa 10 km, so dass in kurzer Zeit eine große Fläche erfasst wird. Tomographischen Methoden ermöglicht die Rekonstruktion von 3D-Bildern, die auch die Vertikalverteilung von Spurengasen beinhalten. Somit quantifiziert HAIDI die wichtigsten Spezies zur Analyse der chemischen Zusammensetzung und Umwandlung in der Abluft von Flächenquellen. Unsere Studien zielen auf die Untersuchung topographischer und meteorologischer Einflüsse auf Ausdehnung, Verteilung und Ausbreitung derartiger Abgasfahnen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Emission, Umwandlung und Abbau der Schlüsselkomponente NO2. Die chemische Evolution von Spurengasen und des Aerosols, die sich auch unseren Daten zusammen mit weiteren auf HALO gemessenen Verbindungen ergibt, ermöglicht dann die Beantwortung von Fragen bezüglich der lokalen, regionalen und globalen Auswirkungen von großflächigen Emissionen. Insbesondere dienen die Bestimmungen der optischen Parameter des Aerosols, wie sie von HAIDI vorgenommen wird, auch der Quantifizierung des Einflusses solcher Fahnen auf den Strahlungshaushalt. Die genannten Ergebnisse dienen des Weiteren zur Validierung und Verbesserung von Modellen im Rahmen des EMerGe Projekts sowie zur Validierung von Satellitendaten. Damit wird erstmals ein System operationell, das mit einer Kombination von drei abbildenden Spektrometern 3D-Informationen über Spurengasverteilungen und Aerosol liefern kann. Im Rahmen des Projektes werden - basierend auf unseren Vorarbeiten - die notwendigen tomographischen Algorithmen entwickelt. Da dies der erstmalige Betrieb von HAIDI auf HALO ist muss das Instrument im Rahmen des Projektes auch zugelassen und ggf. adaptiert werden.
Starkes Nachtleuchten tritt in der oberen Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (MUT) der oberen Erdatmosphäre auf und enthält eine Emissionsschicht, die von angeregtem Stickstoffdioxid (NO2) hervorgerufen wird. Anregungsmechanismen, die zum angeregten Stickstoffdioxid in der MUT und Stratosphäre beitragen, stehen im Mittelpunkt dieses Projekts, da sie nicht gut verstanden sind. Stickstoffdioxid ist auch in der Stratosphäre wichtig, da es zum Ozonabbau beiträgt. Die Photochemie von reaktiven Stickstoffverbindungen (N, NO, NO2) wird in der MUT und der Stratosphäre auf der Grundlage der jetzt verfügbaren globalen Emissionsmessungen analysiert. Für diese Aufgabe wird das MAC-Modell (Multiple Airglow Chemie) erweitert, um Reaktionen mit reaktiven Sauerstoff- und Wasserstoffverbindungen (O(3P), O(1D), O3 und H, OH, HO2) zu berücksichtigen. Berechnungen mittels der aktuellen MAC Version ermöglichen die Berücksichtigung von reaktiven Sauerstoff- und Wasserstoff-verbindungen. Diese Berechnungen wurden auf der Grundlage von in situ Raketenmessungen in der MUT validiert. In Anbetracht früherer Studien zur Untersuchung der Stickstoffdioxid-emissionen wird die Berechnung der Konzentrationen der wichtigsten Repräsentanten von reaktiven Sauerstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffverbindungen in der Stratosphäre unter Verwendung der erweiterten Version des MAC-Modells auf der Grundlage neuer Messungen durchgeführt. Reaktionen, die in der erweiterten Version des MAC-Modells berücksichtigt werden, können in ein photochemisches Modul eines GCM (general circulation model) übernommen werden.
Urbane Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) machen einen Großteil der Treibhausgasemissionen weltweit aus. Deshalb sind Städte auch Vorreiter bei der Entwicklung von Emissionsreduktionsmaßnahmen zur Mitigation des Klimawandels. Solche Maßnahmen müssen durch räumlich und zeitlich hochaufgelöste, vollständige, verlässliche und verifizierte Informationen begleitet und in Bezug auf ihre Effizienz überprüft werden. Unter den Beobachtungsmethoden für Treibhausgase gibt es allerdings eine Lücke im Bereich der horizontalen, flächendeckenden Kartierung auf der Skala einiger Kilometer. Dort braucht es eine Technik, die die Empfindlichkeitslücke zwischen lokalen in-situ Messungen und regional-integrierenden Säulenmessungen durch Fernerkundungsmessungen füllt.Hier schlage ich vor, urbane Treibhausgasquellen mit einer innovativen und portablen Technik zu studieren, die die CO2 und CH4 Konzentrationsfelder flächendeckend kartieren kann und so die Beobachtungslücke erfasst. Die erste Studienregion ist der Großraum Los Angeles, wo sich die CO2 und CH4 Emissionen auf mehr als 100 MtCO2/a und 300 ktCH4/a belaufen, was die Region zu einer der größten, lokalisierten Quellen weltweit macht. Los Angeles wurde in der Vergangenheit vielfältig in Bezug auf seine Treibhausgasquellen untersucht, indem beispielsweise Inventarisierungen durchgeführt und durch atmosphärische Messungen bewertet wurden. Ein herausragendes Experiment läuft gerade im Rahmen des CLARS-FTS (California Laboratory for Atmospheric Remote Sensing - Fourier Transform Spectrometer) – ein Spektrometer, das auf Mt. Wilson stationiert ist und reflektiertes Sonnenlicht aus dem Los Angeles Stadtgebiet einfängt. Wir haben eine portable Variante dieses Instruments entwickelt und schlagen nun vor beide Instrumente gemeinsam mit kalifornischen Partnern bei einer Feldkampagne zu betreiben.Dabei ist es unser Ziel das neue portable Observatorium zu validieren und für zukünftige Langfristvorhaben zu empfehlen. Dazu wollen wir innovative Beobachtungsmuster wie die Definition von Zoom-Regionen oder die Verwendung von gekreuzten Lichtwegen ausprobieren, um die räumliche und zeitliche Auflösung zu optimieren. Zudem werden wir die Genauigkeiten verbessern, indem wir einen neuen Ansatz der Strahlungstransportmodellierung implementieren, der simultan mit der Gasbestimmung auch die Streuung an atmosphärischen Partikeln berücksichtigt. Für die Fallstudie Los Angeles werden wir die Variabilität und die Gradienten der CO2 und CH4 Konzentrationen auf ihre Konsistenz mit den Emissionsinventaren überprüfen und untersuchen, bis zu welchem Grad sich die Einflüsse des meteorologischen Transports, der regionalen Advektion, episodischer Ereignisse und der urbanen Biosphäre unterscheiden lassen.