OCO / OCO-2 / OCO-3

Engl. Akronym für Orbiting Carbon Observatory; die Satellitenmission im Rahmen von ESSP sollte Daten über das atmosphärische CO₂, dem beutendsten anthropogenen Antriebsfaktor für den Klimawandel liefern. Im Zusammenwirken mit Bodenmessungen erwartete man mit Hilfe von 3 Spektrometern Aufschlüsse über natürliche und anthropogene CO₂-Quellen und -Senken. Hoch aufgelöste globale Karten sollten die Kohlendioxid-Konzentrationen darstellen.

Nach dem Start am 24.2.2009 von einem kalifornischen Luftwaffenstützpunkt trennte sich OCO nicht wie vorgesehen von der Trägerrakete vom Typ "Taurus XL" und erreichte seine vorgesehene Umlaufbahn nicht.

OCO Das Design und die Architektur der Plattform von OCO basiert auf jener der erfolgreichen Missionen SORCE und GALEX. Die Struktur des Satelliten besteht aus Bienenwabenpanelen, die einen hexagonalen Körper bilden. Diese Struktur beherbergt die Instrumente und Komponenten des Satellitenbuses. Quellen: JPL / eoPortal

Treibhausgas-Zyklus CO2 ist eine entscheidende Komponente der Erdatmosphäre. Seit dem Beginn des Industriezeitalters hat sich die Konzentration des CO2 um 38 % erhöht, von ca. 280 ppm auf über 400 ppm. CO2 gehört zu den Gasen, die die Wärme in den unteren Luftschichten der Erde zurückhalten. Quellen: JPL

OCO-2

Die weitgehend identische Nachfolge- bzw. Ersatzmission OCO-2 wurde am 2. Juli 2014 an Bord einer Delta II-Rakete gestartet. OCO-2 fliegt auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in Formation mit mehreren anderen Raumfahrzeugen und ist so Teil des A-Train. Die 705 km hohe Umlaufbahn besitzt eine Inklination von 98,2º, einen Äquatorialüberquerung um 13:30 Uhr auf einem aufsteigenden Knoten und einen Wiederholungszyklus von 16 Tagen,

OCO-2 ist die erste NASA-Mission, die der Erforschung des atmosphärischen Kohlendioxids gewidmet ist. Sie soll das erste komplette und hochaufgelöste Bild der anthropogenen und der natürlichen CO₂-Quellen und -Senken liefern.

OCO-2 basiert auf dem zuvor gestarteten Satelliten Orbiting Carbon Observatory (OCO) und trägt ein einziges Instrument, das aus drei hochauflösenden Gitterspektrometern (Instrumente zur Messung der Eigenschaften von Licht im elektromagnetischen Spektrum) besteht.

In bisher unerreichter Messdichte sollen CO₂-Konzentration und Verteilung im Minutentakt gemessen und zu neuen Erkenntnissen in der Bestimmung von klimarelevanten Prozessen der CO₂-Verteilung beitragen. OCO-2-Messungen geben den Wissenschaftlern Aufschluss über die Herkunft von CO₂ (Quellen auf der Erde) und den so genannten Senken, also den Orten, an denen es in der Atmosphäre aufgenommen und gespeichert wird. Eine Senke kann ein Wald sein, der mehr CO₂ aufnimmt als er abgibt. Ein Wald kann aber auch im umgekehrten Falle zu einer Quelle werden.

Quellen und Senken, die den Verbleib der Treibhausgase in der Erdatmosphäre kontrollieren, sind bis heute nur unzureichend quantifiziert. Diese Lücken im Verständnis der relevanten biogeochemischen Prozesse werden vor allem durch einen Mangel an Messungen verursacht. Satelliten- und bodengestützte Fernerkundung bietet die Chance, diesen Mangel zu überwinden. Mit den erhobenen Daten wollen Wissenschaftler die Gründe für Änderungen der atmosphärischen CO₂-Konzentration besser verstehen. Zuverlässigere Prognosen über künftige CO₂ -Konzentration und deren Einfluss auf das Klima der Erde sollen dadurch möglich werden.

IOCO-2 wird voraussichtlich bis 2026 aktiv sein.

OCO-2 im ENSO-Einsatz

El Niño und sein kaltes Pendant La Niña (zusammen als El Niño Southern Oscillation oder ENSO bekannt) sind die dominierenden Modi der tropischen Klimavariabilität. ENSO hat seinen Ursprung im tropischen Pazifik, treibt aber eine Vielzahl anomaler Wettermuster rund um den Globus an. Es überrascht nicht, dass das Phänomen auch den globalen Kohlenstoffkreislauf prägt. Das Verständnis des Ausmaßes und der Phase der Beziehung zwischen ENSO und dem Kohlenstoffkreislauf hat wichtige Auswirkungen auf die Verbesserung der Vorhersagbarkeit von Rückkopplungen zwischen Kohlenstoff und Klima. Am 2. Juli 2014 startete die NASA die Mission Orbiting Carbon Observatory-2, um das globale atmosphärische Kohlendioxid (CO₂) mit der Präzision, Auflösung und Abdeckung zu messen, die für die Quantifizierung regionaler Kohlenstoffquellen und -senken erforderlich ist. Der Zeitpunkt des Starts der OCO-2-Mission war äußerst günstig, da in den ersten beiden Jahren ihres Betriebs ein großer El Niño stattfand - der El Niño 2015-2016, der zu den stärksten Ereignissen aller Zeiten gehörte.

Die mit hoher Dichte erfolgten Beobachtungen von OCO-2 boten Wissenschaftlern die Gelegenheit zu untersuchen, wie der globale Kohlenstoffkreislauf auf das El Niño-Ereignis reagierte. Durch die Analyse der Trends in den Zeitreihen des atmosphärischen CO₂ sahen die Forscher klare Anzeichen für eine zweiphasige Reaktion - eine anfängliche Abnahme der CO₂ -Konzentrationen über dem tropischen Pazifik, insbesondere während der frühen Phasen des El-Niño-Ereignisses (siehe Abb. im Kasten - März bis Juli 2015), gefolgt von einem Anstieg der CO₂ -Konzentrationen in den späteren Phasen des El Niño-Ereignisses (siehe Abb. im Kasten - ab Oktober 2015). Während die erste Phase der Reaktion auf eine Verringerung der CO₂ -Ausgasung aus dem tropischen Pazifik zurückzuführen ist, ist die zweite Phase der Reaktion auf die terrestrische Komponente des Kohlenstoffkreislaufs zurückzuführen - eine Kombination aus einer Verringerung der biosphärischen Aufnahme von CO über den gesamten tropischen Regionen und einer Zunahme der Emissionen aus der Biomasseverbrennung über Südostasien und Indonesien. (NASA)

Die OCO-2-Mission der NASA verfolgt den Einfluss von El Niño auf das atmosphärische CO2 Die OCO-2-Mission beobachtete Veränderungen in den globalen CO2 -Konzentrationen während des El-Niño-Ereignisses von 2015-2016 . Der Kasten zeigt die Zeitreihe der säulengemittelten Anomalien der CO2 -Konzentration, abgeleitet aus OCO-2-Beobachtungen über dem tropischen Pazifik - dem Zentrum des Geschehens während eines El Niño. Unter neutralen Bedingungen bewegen sich die Anomalien um Null, aber während des El-Niño-Ereignisses sind deutliche Phasen sichtbar - eine negative Phase während des El Niño-Beginns (März - Juli 2015) und eine positive Phase während dem Ausklingen des Ereignisses (Oktober 2015 und später). Negative Anomalien sind zurückzuführen auf die Verringerung der Ausgasung von CO2 aus dem tropischen Pazifik, während die positiven Anomalien auftreten aufgrund erhöhter Emissionen aus Bränden und Dürreperioden. Quelle: NASA

OCO-3

Im Mai 2019 wurde das Orbiting Carbon Observatory-3 (OCO-3) als Teil der Commercial Resupply Service mission SpaceX CRS-17 gestartet. Es ist wieder ein Instrument der NASA-JPL zur Messung von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre. Das Instrument (OCO ISS Spectrometer) ist extern an dem Japanese Experiment Module "Kibō" auf der Internationalen Raumstation (ISS) montiert. Seine nominelle Lebensdauer beträgt 10 Jahre.

OCO-3 wurde unter Verwendung von Ersatzmaterialien des Satelliten Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) zusammengebaut. Da das OCO-3-Instrument dem OCO-2-Instrument ähnlich ist, wird erwartet, dass es mit seinen Messungen die Quantifizierung von CO₂ bis 1 ppm Genauigkeit durchführen kann.

Das Instrument

Das OCO-3-Instrument misst mit seinen drei Spektrometern das CO₂ nicht direkt, sondern die Intensität des Sonnenlichts, das von der Anwesenheit von CO₂ in einer Luftsäule reflektiert wird. Diese Messung ist einzigartig, wie ein Fingerabdruck, und kann zur Identifizierung verwendet werden. Das OCO-3-Instrument (wie das aktuelle OCO-2-Instrument) verwendet ein Beugungsgitter (wie die Rückseite einer Compact Disc), um das einfallende Sonnenlicht in ein Spektrum aus mehreren Farbkomponenten zu zerlegen.

Das Instrument misst die Intensität von drei relativ kleinen Wellenlängenbereichen aus dem Spektrum, die jeweils für eines der drei Spektrometer spezifisch sind. Die Absorptionswerte zeigen das Vorhandensein der verschiedenen Gase an. Durch die gleichzeitige Messung der Gase an ein und demselben Ort und über einen längeren Zeitraum hinweg wird OCO-2 in der Lage sein, die Veränderungen auf der Oberfläche im Laufe der Zeit zu verfolgen.

Die OCO-3-Spektrometer messen das von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht. Die Sonnenstrahlen, die in die Spektrometer eindringen, durchqueren die Atmosphäre zweimal - einmal auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde und dann noch einmal, wenn sie von der Erdoberfläche zum OCO-3-Instrument auf der ISS abprallen. Kohlendioxid- und molekulare Sauerstoffmoleküle in der Atmosphäre absorbieren Lichtenergie in ganz bestimmten Farben oder Wellenlängen.

Das charakteristische Spektralmuster von CO₂ kann bei sehr geringen Wellenlängenschwankungen von transparent zu undurchsichtig wechseln.

Das OCO-3-Instrument muss in der Lage sein, diese dramatischen Veränderungen zu erkennen und die Wellenlängen anzugeben, bei denen diese Veränderungen stattfinden. Daher werden die Rillen im Beugungsgitter des Instruments sehr fein abgestimmt sein, um das Lichtspektrum in eine große Anzahl sehr schmaler Wellenlängenbänder oder Farben aufzuteilen. Das OCO-3-Instrument umfasst 17.500 verschiedene Farben, um den gesamten Wellenlängenbereich abzudecken, den das menschliche Auge wahrnehmen kann. Eine Digitalkamera deckt denselben Wellenlängenbereich mit nur drei Farben ab.

OCO-3 - Der Messvorgang Die OCO-3-Spektrometer messen das von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht. Die Sonnenstrahlen, die in die Spektrometer eindringen, durchqueren die Atmosphäre zweimal - einmal auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde und dann noch einmal, wenn sie von der Erdoberfläche zum OCO-3-Instrument auf der ISS abprallen. Kohlendioxid- und molekulare Sauerstoffmoleküle in der Atmosphäre absorbieren Lichtenergie in ganz bestimmten Farben oder Wellenlängen. Das charakteristische Spektralmuster von CO2 kann bei sehr geringen Wellenlängenschwankungen von transparent zu undurchsichtig wechseln. Quelle: NASA JPL

Siehe auch CarbonSat, GOSAT, MicroCarb, TanSat

Weitere Informationen:

• OCO-2 - Startseite (NASA - JPL)
• OCO-2-Profil (CEOS EO Handbook)
• OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2) (eoPortal Directory)
• Orbiting Carbon Observatory-3 (NASA - JPL)
• Orbiting Carbon Observatory-2: Observing CO₂ from Space (The Earth Observer 4/2014)
• NASA Space Mission Takes Stock of Carbon Dioxide Emissions by Countries (The Earth Observer Volume 35, Issue 2, 2023)