Erst etwas mehr als drei Monate nach dem erfolgreichen Start am 13. August 2025 hat die europäische Mission Copernicus Sentinel-5A ihre ersten beeindruckenden Ansichten von Gasen in der Erdatmosphäre geliefert. Der erste Satz von Produkten umfasst eine globale Karte des Gesamtozons, detaillierte Karten von Stickstoffdioxid über dem Nahen Osten und Südafrika, Formaldehyd über Zentralafrika sowie eine Wolke aus Schwefeldioxid über einem aktiven Vulkan auf Kamtschatka. Damit hat Sentinel-5A gezeigt, dass er bereit ist, eine wichtige Datenquelle für die Überwachung der Luftqualität, des Klimas und des Zustands der Ozonschicht auf globaler Ebene zu werden.

Eine neue Ära der Atmosphärenüberwachung: Sentinel-5A auf MetOp-SG-A1

Sentinel-5 ist eine Mission im Rahmen des europäischen Programms Copernicus, die der Messung der Atmosphärenzusammensetzung gewidmet ist. Anstatt ein eigenständiger Satellit zu sein, ist Sentinel-5 ein fortschrittliches abbildendes Spektrometer, das auf den meteorologischen Satelliten der zweiten Generation MetOp-SG Typ A installiert ist. Der erste solche Satellit, MetOp-SG-A1, trat am 13. August 2025 in eine polare sonnensynchrone Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 830 Kilometern ein und überfliegt den gesamten Planeten jeden Tag von Pol zu Pol, wobei er Spuren von Gasen und Aerosolen weltweit aufzeichnet.

Auf MetOp-SG-A1 arbeitet Sentinel-5A in Gesellschaft einer Reihe anderer Instrumente – von Infrarot- und Mikrowellensondierern bis hin zu fortschrittlichen Bildsensoren – wodurch Informationen über Temperatur, Feuchtigkeit, Wolken und Oberflächeneigenschaften mit sehr präzisen Daten über die Luftzusammensetzung kombiniert werden. In den kommenden Jahren wird der gleiche Instrumententyp auch in die nächsten Satelliten der Serie MetOp-SG Typ A eingebaut, wodurch eine kontinuierliche Messreihe sichergestellt wird, die bis weit in die 2040er Jahre reichen wird.

Die Mission wird von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und EUMETSAT verwaltet, während die Daten im Rahmen der Copernicus-Dienste zur Überwachung der Atmosphäre und des Klimas, aber auch in nationalen meteorologischen und Umweltdiensten in ganz Europa und der Welt genutzt werden. Im Gegensatz zur geostationären Mission Sentinel-4, die Europa und Nordafrika von einem festen Punkt über dem Äquator überwacht, liefert Sentinel-5 jeden Tag ein globales Bild der gesamten Erde, was die Überwachung der Luftverschmutzung und der Treibhausgase auf planetarer Ebene ermöglicht.

Wie Sentinel-5 unsichtbare Gase „sieht“

Das Herzstück der Mission Sentinel-5A ist ein hochauflösendes abbildendes Spektrometer, das in sieben Spektralbereichen arbeitet – vom ultravioletten und sichtbaren Teil des Spektrums bis zum nahen und kurzwelligen Infrarotbereich. Das Instrument misst, wie die Erde und die Atmosphäre das Sonnenlicht reflektieren und streuen, und aus feinen Unterschieden im Spektrum rekonstruieren Wissenschaftler die Menge verschiedener Gase entlang der Sichtlinie.

Auf diese Weise kann Sentinel-5A täglich Konzentrationen einer Reihe wichtiger Luftbestandteile messen: Ozon, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid, Formaldehyd, Glyoxal, Kohlenmonoxid und Methan, aber auch Aerosoleigenschaften sowie den UV-Index. Die Aufnahmebreite ist groß genug, um fast den gesamten Planeten an nur einem Tag abzudecken, während die räumliche Auflösung so angepasst ist, dass städtische Verschmutzungsbrennpunkte, große Industriezonen und abgelegene Gebiete, in denen natürliche Gasquellen vorherrschen, klar getrennt werden.

Dieser Ansatz baut auf dem Erbe von Instrumenten wie GOME, SCIAMACHY und Sentinel-5P (TROPOMI) auf, jedoch mit einer größeren Anzahl von Spektralkanälen, verbesserter Stabilität und präziserer Kalibrierung. Dank dessen wird Sentinel-5 zur Referenz für die langfristige Überwachung von Veränderungen in der Atmosphärenzusammensetzung werden, einschließlich Trends bei Treibhausgasen und Verschmutzungsspuren aus Städten, Energie, Industrie und Verkehr.

Erste globale Ozonansichten: Blick auf den Schutzschild der Erde

Das erste veröffentlichte Bild von Sentinel-5A ist eine globale Karte des Gesamtozons, aufgenommen am 13. Oktober 2025. Die Karte zeigt die Gesamtozonsäule, was bedeutet, dass die Ozonmenge gemessen wird, die durch die gesamte Dicke der Atmosphäre über jedem Punkt auf der Erde summiert ist. Obwohl ein Teil des Ozons auch in bodennahen Schichten existiert, wo es als schädlicher Schadstoff wirkt, wird die Gesamtsäule weitgehend durch das stratosphärische Ozon bestimmt – eine Schutzschicht in einer Höhe von 15–35 Kilometern, die den Großteil der ultravioletten Strahlung der Sonne absorbiert.

Auf der Karte von Sentinel-5A sticht das Ozonloch über der Antarktis sehr deutlich hervor, ein Gebiet, in dem die Werte der Ozonsäule unter 220 Dobson-Einheiten fallen. Dies ist ein Schwellenwert, der oft als operative Definition des Ozonlochs verwendet wird. In dieser Jahreszeit, während des antarktischen Frühlings, weitet sich das Ozonloch traditionell aus und vertieft sich aufgrund chemischer Reaktionen, die durch Chlor und Brom aus Verbindungen angetrieben werden, die in der Vergangenheit in die Atmosphäre freigesetzt wurden.

Die Verwendung von ozonschichtschädigenden Substanzen, wie Fluorchlorkohlenwasserstoffen, wurde durch das internationale Montrealer Protokoll Ende der 1980er Jahre verboten. Doch diese Verbindungen überdauern Jahrzehnte in der Atmosphäre, sodass die Erholung der Ozonschicht langsam und schrittweise verläuft. Langfristige Messreihen zeigen, dass Anzeichen einer Erholung erst in den letzten Jahren auftreten, und Sentinel-5A übernimmt nun einen Teil der Verantwortung für die Fortsetzung dieser globalen „Gesundheitsakte“ der Ozonschicht.

Durch die Kombination neuer Sentinel-5A-Daten mit dem Archiv früherer Missionen können Wissenschaftler präziser verfolgen, wie schnell das Ozon zu Werten vor der intensiven Verschmutzung zurückkehrt, natürliche Schwankungen von langfristigen Trends unterscheiden und die Wirksamkeit internationaler Abkommen überprüfen.

Stickstoffdioxid: Der Fußabdruck menschlicher Aktivität über dem Nahen Osten

Das zweite gezeigte Bild zeigt die vertikale Säule von Stickstoffdioxid (NO₂) über dem Nahen Osten, ebenfalls aufgenommen am 13. Oktober 2025. Auf der Karte sind „Hotspots“ in der Nähe großer Städte, Öl- und Gasraffinerien, Wärmekraftwerke sowie metallurgischer Anlagen klar zu erkennen. Zusätzliche Brennpunkte folgen den Hauptverkehrskorridoren, wo intensiver Straßen- und Seeverkehr direkt zu Stickoxidemissionen beiträgt.

Stickstoffdioxid ist eines der wichtigsten Gase, wenn wir über Luftverschmutzung in Städten sprechen. Es entsteht hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe – in Motoren von Autos und Lastwagen, in Schornsteinen von Kraftwerken, Industrieanlagen, aber auch in Haushalten, die Gasherde oder Heizungen mit fossilen Brennstoffen nutzen. In der Atmosphäre ist es an der Bildung von bodennahem Ozon und sekundären Partikeln beteiligt, was Smog verschlimmert und die Gesundheit der Atemwege beeinträchtigt.

Im Bereich des Nahen Ostens ermöglicht Sentinel-5A erstmals, diese Emissionen einheitlich, Tag für Tag, über Staatsgrenzen hinweg zu beobachten. Dies ist besonders wichtig in einer Region, in der der Verkehr von Seetankern, die industrielle Entwicklung und die rasche Urbanisierung zu einem komplexen Mosaik aus Verschmutzungsquellen führen. Daten von Sentinel-5 können direkt in Luftqualitätsmodellen verwendet werden, aber auch zur Überprüfung deklarierter Emissionen aus dem Energie- und Industriesektor.

Auf der Karte sind auch Teile sichtbar, wo das Signal weniger klar oder „ausgeschnitten“ ist – meistens handelt es sich um wolkenbedeckte Gebiete. Da Wolken die Sicht der Instrumente auf die Luftschichten nahe der Oberfläche verdecken, können in solchen Fällen NO₂-Daten nicht zuverlässig berechnet werden, und die Bereiche werden als nicht abgedeckt oder unzuverlässig gekennzeichnet. Datenverarbeitungssysteme liefern daher neben physikalischen Größen auch Informationen über die Qualität und Zuverlässigkeit jedes Pixels.

Hohe Konzentrationen von Stickstoffdioxid über Südafrika

Das dritte veröffentlichte Bild von Stickstoffdioxid konzentriert sich auf Südafrika. Erhöhte NO₂-Werte stechen besonders über der Region Highveld hervor, wo der Großteil der südafrikanischen Kohlekraftwerke sowie eine große Anzahl von Bergwerken und Schwerindustrie konzentriert sind. In diesem Gebiet bilden Emissionen aus dem Energiesektor das Rückgrat der lokalen Luftverschmutzung, und Satellitenmessungen bieten einen externen, unabhängigen Blick auf das Niveau dieser Emissionen.

In Kombination mit Oberflächenmessungen aus Netzwerken staatlicher und regionaler Stationen werden Sentinel-5-Daten eine detailliertere Bewertung der Auswirkungen des Energiesektors auf die Luftqualität und die Gesundheit der Bevölkerung ermöglichen, aber auch auf die Klimaverpflichtungen von Staaten, die auf Kohle setzen. Hohe NO₂-Werte sind oft auch mit Emissionen anderer Schadstoffe verbunden, wie Schwefeldioxid und Schwebstaub, die gemeinsam zum Auftreten von saurem Regen, atmosphärischer Trübung und Atemwegsproblemen beitragen.

Formaldehyd über Afrika: Der Fußabdruck von Bränden und Vegetation

Das vierte Bild von Sentinel-5A zeigt die vertikale Säule von Formaldehyd (HCHO) über Afrika am 13. Oktober 2025. Erhöhte Konzentrationen entlang der Nordwestküste Angolas sind mit Vegetationsbränden und landwirtschaftlichem Stoppelverbrennen verbunden, während erhöhte Werte über der Zentralafrikanischen Republik aus einer Kombination von Bränden und natürlichen Emissionen aus der Vegetation in tropischen Wäldern stammen.

Formaldehyd ist ein reaktives, potenziell krebserregendes Gas, das in der Atmosphäre auch als indirekter Indikator für das Vorhandensein anderer Abgasverbindungen wirkt, insbesondere flüchtiger organischer Verbindungen (VOC). Ein Teil des Formaldehyds entsteht direkt bei Bränden und ein Teil durch chemische Reaktionen anderer organischer Gase, die von Pflanzen oder menschlichen Aktivitäten freigesetzt werden. Genau deshalb hilft die Überwachung von Formaldehyd aus dem Weltraum Wissenschaftlern, besser zu verstehen, wie sich die Chemie der Troposphäre über Gebieten mit intensiven Bränden oder üppiger Vegetation verändert.

Da Formaldehyd oft nahe der Oberfläche konzentriert ist, haben Wolken einen noch größeren Einfluss auf die Datenabdeckung als bei einigen anderen Gasen. In Gebieten mit teilweiser Bewölkung können Datenverarbeitungsalgorithmen systematische Fehler einführen, daher sind die ersten Formaldehyd-Produkte von Sentinel-5A als vorläufig gekennzeichnet. Da die Kalibrierung und die Verarbeitungsmodelle weiterentwickelt werden, wird eine Verbesserung der Genauigkeit und eine Erhöhung der räumlichen Konsistenz dieser Karten erwartet.

Schwefeldioxid über dem Vulkan Kljutschewskaja

Das fünfte Bild, das die Experten hervorgehoben haben, zeigt eine Wolke aus Schwefeldioxid (SO₂) über dem Vulkan Kljutschewskaja auf der Halbinsel Kamtschatka im Fernen Osten Russlands. Es handelt sich um einen der aktivsten Vulkane der Welt, der seit Beginn des 18. Jahrhunderts mehr als fünfzig Mal ausgebrochen ist. Auch außerhalb von Eruptionsspitzen treten oft ständig Gase und Rauch aus dem Krater aus.

Sentinel-5A erfasst sehr deutlich eine schmale, aber intensive Wolke aus Schwefeldioxid, die sich mit dem Wind über Hunderte von Kilometern von der Quelle erstreckt. Schwefeldioxid in der Atmosphäre kann Reizungen der Atemwege verursachen, und eine länger andauernde Anwesenheit hoher Konzentrationen führt zu einem erhöhten Risiko für Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. SO₂ ist zugleich ein Vorläufer von saurem Regen, da es in der Atmosphäre oxidiert und Sulfatpartikel bildet.

Für Vulkanologen und Katastrophenschutzdienste haben solche Messungen einen doppelten Wert. Einerseits helfen sie bei der Ausgabe von Warnungen für den Luftverkehr, da Gaswolken und Vulkanasche Triebwerke beschädigen können. Andererseits ermöglichen Serien von SO₂-Karten die Einschätzung, wie viel vulkanische Emissionen zur Gesamtmenge an Schwefel in der Atmosphäre im Vergleich zu Industrie und Energie beitragen.

Falschfarben der Erdstrahlung: Gesundheitscheck der Instrumente

Das letzte hervorgehobene Bild aus dem ersten Datensatz zeigt die Erdstrahlung im Zeitraum vom 5. bis 6. Oktober 2025. Es ist ein Komposit in Falschfarben, bei dem verschiedenen Kanälen die rote, grüne und blaue Komponente zugewiesen wurden, was eine globale Karte ergibt, auf der Kontinente, Ozeane und Wolken klar unterschieden werden. Im Gegensatz zu spezialisierten Karten einzelner Gase dient dieses Bild vor allem der Überprüfung der allgemeinen „Gesundheit“ des Instruments.

Solche Überprüfungen sind in der frühen Phase der Mission entscheidend, wenn das Instrument noch kalibriert wird und Algorithmen zur Umwandlung von Rohmessungen in geophysikalische Produkte (z. B. Gaskonzentrationen) intensiv getestet werden. Durch den Vergleich dieser Aufnahmen mit Daten anderer Satelliten und Modelle bestätigen Teams bei der ESA, EUMETSAT und Partnerinstitutionen, dass Sentinel-5A die Intensität und spektrale Form der Strahlung im gesamten Sichtfeld korrekt misst.

Erst wenn solche „Ingenieur“-Tests abgeschlossen sind und die langfristige Stabilität des Instruments bestätigt ist, werden Produkte wie Karten von Ozon, Stickstoffdioxid oder Formaldehyd als operativ und bereit für die Nutzung in offiziellen Vorhersage- und Warnsystemen erklärt.

Komplementärer Blick von Sentinel-4 und das Erbe von Sentinel-5P

Sentinel-5 agiert nicht im Vakuum – weder wörtlich noch im übertragenen Sinne. Im geostationären Orbit über Europa ist seit 2025 die Mission Sentinel-4 tätig, die stündlich wichtige Gase über Europa und Nordafrika misst. Sie bietet eine außergewöhnlich gute zeitliche Auflösung über einem Teil der Welt, während Sentinel-5 im polaren Orbit täglich den gesamten Planeten abdeckt. Zusammen bilden sie ein System, das gleichzeitig kurzfristige Verschmutzungsepisoden und langfristige globale Trends verfolgen kann.

An dieses Bild knüpft auch Sentinel-5P (Precursor) an, der seit 2017 sehr detaillierte Karten von Gasen wie NO₂, SO₂, CH₄ und CO geliefert hat. Die Daten von Sentinel-5P bleiben entscheidend für die Analyse des Zeitraums vor 2025, während Sentinel-5A und seine Nachfolger die Rolle der Träger der Atmosphärenstatistik in den folgenden Jahrzehnten übernehmen werden. Die Kontinuität zwischen diesen Missionen ist von entscheidender Bedeutung für alle wissenschaftlichen Studien, die sich mit Klimatrends, langfristigen Veränderungen der Luftqualität und den Auswirkungen internationaler Abkommen zur Emissionsminderung befassen.

Eine langfristige Mission für Politik, Wissenschaft und öffentliche Gesundheit

Mit der geplanten Betriebsdauer der MetOp-SG-Satelliten und einer Serie von Sentinel-5-Instrumenten auf mehreren aufeinanderfolgenden Plattformen wird erwartet, dass die Mission mindestens zwei Jahrzehnte lang wichtige Daten liefern wird. Ein solcher Zeitrahmen ermöglicht es, kurzfristige Schwankungen – wie saisonale Veränderungen oder einzelne Smog-Episoden – klar von langsamen, aber wichtigen Trends zu trennen, die mit dem Klimawandel und Veränderungen im Energiemix verbunden sind.

Daten von Sentinel-5 sind bereits in Systeme zur Vorhersage der Luftqualität und des UV-Index integriert, wo sie Oberflächenmessungen und numerische Modelle ergänzen. Wenn Karten von Ozon, Stickstoffdioxid, Partikeln und anderen Luftbestandteilen in operative Modelle einbezogen werden, können meteorologische und Umweltdienste den Bürgern rechtzeitig Warnungen vor erhöhten Verschmutzungswerten, Ratschläge für empfindliche Gruppen und Empfehlungen zur Verringerung der Exposition herausgeben.

Gleichzeitig dienen detaillierte Informationen über die räumliche Verteilung und Entwicklung von Gasen als wichtiges Werkzeug für politische Entscheidungsträger. Staaten und Regionen können tatsächliche Konzentrationen und geschätzte Emissionen mit Zielen vergleichen, die durch europäische Richtlinien zur Luftqualität und Klimapläne definiert sind. In der Praxis bedeutet dies, dass Satellitenmessungen zunehmend als zusätzlicher „unabhängiger Richter“ dienen werden, der zeigt, wie sehr nationale Emissionsinventare und angekündigte Maßnahmen mit dem übereinstimmen, was in der Atmosphäre tatsächlich geschieht.

Von den ersten Bildern zum operativen Dienst

Obwohl sich Sentinel-5A noch in der Inbetriebnahmephase befindet, zeigen die ersten Darstellungen von Ozon, Stickstoffdioxid, Formaldehyd, Schwefeldioxid und Erdstrahlung, dass das Instrument erwartungsgemäß funktioniert. Ingenieure und Wissenschaftler setzen nun die Feinkalibrierung fort, vergleichen Daten mit Bodenmessungen und anderen Satelliten und verfeinern Algorithmen, mit denen aus Spektren atmosphärische Größen abgeleitet werden.

Sobald sich die Datenverarbeitung stabilisiert, wird Sentinel-5 zu einer Standardquelle für Eingabeinformationen für Klimastudien, Modelle zur Vorhersage der Luftqualität, Gesundheitswarnungen vor UV-Strahlung und die Überwachung globaler Treibhausgasemissionen werden. Die ersten veröffentlichten Produkte sind nur eine Ankündigung dessen, was die Mission während ihrer langen operativen Lebensdauer bringen wird – eine kontinuierliche, beispiellose globale Überwachung der Atmosphäre im Dienste der Wissenschaft, der öffentlichen Gesundheit, des Umweltschutzes und der Wirtschaft.