MIT warnt: Ohne mehr Satelliten sehen wir nicht die tatsächliche Klimawirkung von Flugzeug-Kondensstreifen

MIT: Mehr Augen im Himmel enthüllen, wie stark Kondensstreifen von Flugzeugen den Planeten erwärmen

Eine neue Arbeit von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) schlägt ein wichtiges Kapitel in der Debatte über die Klimaauswirkungen des Luftverkehrs auf. Durch die Analyse von Satellitenbildern haben Wissenschaftler gezeigt, dass geostationäre Satelliten, auf die wir uns heute am meisten verlassen, etwa 80 Prozent der Kondensstreifen (Contrails) übersehen, die von präziseren Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn sichtbar sind. Die Schlussfolgerung ist klar: Ohne „mehr Augen im Himmel“ ist es schwierig, genau einzuschätzen, wie sehr die Luftfahrt die Atmosphäre wirklich erwärmt – und wie wir diesen Effekt schnell verringern können.

Kondensstreifen entstehen, wenn heiße Triebwerksabgase auf kalte und feuchte Luftschichten treffen. Die dabei entstehenden Eiskristalle bilden dünne weiße Streifen hinter dem Flugzeug, und unter geeigneten atmosphärischen Bedingungen können sich diese Streifen in breite, langlebige Wolken verwandeln, die stundenlang große Bereiche des Himmels bedecken. Obwohl sie auf den ersten Blick harmlos erscheinen, zeigen jüngste wissenschaftliche Analysen, dass Kondensstreifen für etwa die Hälfte der gesamten Klimaauswirkungen der Luftfahrt verantwortlich sein könnten, vergleichbar mit den Auswirkungen der CO₂-Emissionen desselben Sektors.

In einer Zeit, in der Europa und der Rest der Welt den Druck zur Dekarbonisierung des Luftverkehrs erhöhen, kommt die MIT-Studie gleichzeitig als Warnung und Gelegenheit: Wenn wir Strategien zur Vermeidung der klimaschädlichsten Streifen ernsthaft anwenden wollen, müssen wir zuerst wissen, wie viele es gibt, wo sie entstehen und wie lange sie dauern. Und dafür können wir uns, wie sich zeigt, nicht mehr nur auf einen Satellitentyp verlassen.

Kondensstreifen als versteckte Emissionen der Luftfahrt

Die Klimaauswirkungen der Luftfahrt wurden lange Zeit fast ausschließlich mit Kohlendioxidemissionen gleichgesetzt. In den letzten zehn Jahren wächst jedoch der wissenschaftliche Konsens, dass Nicht-CO₂-Effekte – vor allem Kondensstreifen und die durch ihre Entwicklung entstehenden Wolken – einen ebenso großen und in einem kürzeren Zeithorizont sogar größeren Beitrag zur Erwärmung des Planeten leisten können als CO₂ selbst. Analysen internationaler Luftverkehrsorganisationen schätzen, dass der Strahlungseffekt von Kondensstreifen in seiner Größe mit den Auswirkungen der CO₂-Emissionen aus der Luftfahrt vergleichbar ist.

Das Hauptproblem besteht darin, dass nicht alle Kondensstreifen gleich sind. Viele lösen sich innerhalb weniger Minuten auf und haben eine begrenzte oder sogar leicht kühlende Wirkung, da sie einen Teil der Sonnenenergie zurück in den Weltraum reflektieren. Andere, insbesondere solche, die unter nächtlichen und winterlichen Bedingungen entstehen, können stundenlang bestehen bleiben und wie eine Wärmedecke wirken, die langwellige Strahlung von der Planetenoberfläche einfängt. Wissenschaftliche Arbeiten weisen darauf hin, dass eine relativ kleine Anzahl von Flügen – nur wenige Prozent – den Großteil der gesamten Erwärmungswirkung von Kondensstreifen erzeugt, während die meisten Streifen einen viel geringeren Einfluss auf das Klima haben.

Aus diesem Grund wird die Vermeidung von Kondensstreifen immer häufiger als „schneller Sieg“ in der Klimapolitik der Luftfahrt genannt. Schätzungen zeigen, dass eine optimierte Umleitung einer sehr kleinen Anzahl von Flügen durch einige hundert Meter unterschiedliche Flughöhe die durch Kondensstreifen verursachte Klimaerwärmung halbieren könnte, bei nur marginaler Erhöhung des Treibstoffverbrauchs und der Kosten pro Ticket. Damit solche Maßnahmen jedoch wirksam sind, müssen Bereiche der Atmosphäre, in denen dauerhafte, klimaschädlichste Streifen überhaupt erst entstehen, zuverlässig erkannt werden. Hier kommen die Satelliten ins Spiel.

Warum Satelliten entscheidend für die „Kondensstreifen-Prognose“ sind

Die meisten bisherigen Forschungen zu Kondensstreifen stützten sich auf Bilder geostationärer Satelliten. Diese Satelliten „stehen“ über demselben Punkt der Erde in einer Höhe von etwa 36.000 Kilometern und nehmen kontinuierlich ein großes Gebiet auf, mit einem neuen Bild alle paar Minuten. In der Praxis bedeutet dies, dass meteorologische Dienste, Luftfahrtbehörden und Forscher ein kontinuierliches Bild der Entwicklung von Wolken, Stürmen und hohen Eiswolken erhalten, zu denen auch entwickelte Kondensstreifen gehören.

Eine solche räumliche und zeitliche Abdeckung hat jedoch ihren Preis – eine begrenzte Auflösung. Angesichts der Entfernung geostationärer Satelliten können einzelne Pixel in der Aufnahme mehrere Kilometer am Boden darstellen. Das reicht aus, um große, ausgebreitete Streifen und Wolkenstrukturen klar zu sehen, aber nicht die frühesten Phasen der Entstehung von Kondensstreifen, wenn die Streifen noch kurz und dünn sind, genau in dem Moment, in dem sie aus den Triebwerken des Flugzeugstrahls austreten.

Auf der anderen Seite umkreisen Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) – wie die mit dem VIIRS-Instrument ausgestatteten – die Erde in Höhen von einigen hundert Kilometern und überfliegen sie in schmalen Streifen. Ihre Aufnahmen haben eine wesentlich feinere räumliche Auflösung und können deutlich dünnere und kürzere Strukturen in der Atmosphäre erkennen. LEO-Satelliten überfliegen denselben Teil der Erde jedoch nur einmal oder einige Male am Tag, was bedeutet, dass sie keine kontinuierliche Überwachung der Entwicklung von Wolken und Kondensstreifen von Minute zu Minute bieten.

In der Praxis haben sich geostationäre Satelliten als „Arbeitspferde“ des Systems zur Erkennung von Kondensstreifen durchgesetzt. Auf ihnen basieren zahlreiche Forschungsprojekte sowie experimentelle Algorithmen, die versuchen, in Echtzeit vorherzusagen, wo dauerhafte Kondensstreifen auftreten werden. MIT-Forscher beschlossen zu testen, wie vollständig dieses Bild ist – und was wir verpassen, wenn wir nur geostationäre Aufnahmen berücksichtigen.

Was der MIT-Vergleich von GEO- und LEO-Aufnahmen zeigte

In einer neuen Arbeit, die in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde, verglich ein Team des MIT-Departements für Luft- und Raumfahrt zwei Hauptarten von Satellitenbeobachtungen von Kondensstreifen. Als Vertreter der geostationären Plattform nahmen sie das Instrument Advanced Baseline Imager (ABI) auf einem der US-amerikanischen Wettersatelliten, während sie als hochauflösende Referenz das Instrument Visible Infrared Radiometer Suite (VIIRS) von mehreren Satelliten in niedriger Umlaufbahn verwendeten.

Die Forscher wählten für jeden Monat von Dezember 2023 bis November 2024 jeweils eine Aufnahme des kontinentalen Teils der Vereinigten Staaten aus, die vom VIIRS-Instrument aufgezeichnet wurde. Dann suchten sie zeitlich möglichst nah passende Aufnahmen desselben Gebiets vom geostationären ABI. Alle Aufnahmen waren im Infrarotspektrum und in Falschfarben dargestellt, um dünne Eisstrukturen, die Kondensstreifen entsprechen, Tag und Nacht leichter hervorzuheben.

Es folgte mühsame Handarbeit: Die Wissenschaftler durchsuchten für jede Aufnahme das Bild manuell, zoomten in einzelne Teile hinein und markierten jeden deutlich sichtbaren Contrail. Danach verglichen sie, wie viele dieser Streifen auf geostationären Aufnahmen erkennbar waren und wie viele nur auf den hochauflösenden LEO-Aufnahmen sichtbar waren.

Das Ergebnis war überraschend eindeutig. Auf den Aufnahmen des geostationären Satelliten waren im Durchschnitt etwa 80 Prozent der Streifen nicht zu sehen, die auf den LEO-Aufnahmen deutlich unterscheidbar waren. GEO-Instrumente „erfassen“ viel besser lange, breite und entwickelte Kondensstreifen, während VIIRS und ähnliche LEO-Sensoren auch ein ganzes Spektrum kürzerer, dünnerer und „jüngerer“ Streifen enthüllen, die gerade erst aus den Flugzeugtriebwerken ausgetreten sind oder gerade erst begonnen haben, sich auszubreiten.

Die Autoren betonen, dass dies nicht bedeutet, dass 80 Prozent der Klimawirkung von Kondensstreifen von der Erdumlaufbahn aus unsichtbar sind. Die großen, langlebigen Streifen, die geostationäre Satelliten dennoch erfassen, sind wahrscheinlich für den größten Teil der Gesamterwärmung verantwortlich, da sie länger in der Atmosphäre bleiben und größere Flächen bedecken. Gleichzeitig bedeutet die Tatsache, dass die überwiegende Mehrheit der Streifen in Standard-GEO-Produkten überhaupt nicht zu sehen ist, dass Modelle, die sich nur auf GEO-Daten stützen, notwendigerweise ein unvollständiges Bild liefern.

Das MIT-Team kommt daher zu dem Schluss, dass wir uns, insbesondere im Kontext zukünftiger öffentlicher Maßnahmen und potenzieller Verpflichtungen zur Vermeidung von Kondensstreifen für Fluggesellschaften, nicht auf ein einzelnes Instrument oder eine einzelne Orbitalkonfiguration verlassen sollten. Erst durch die Kombination von Daten geostationärer und niedrigorbitale Satelliten, ergänzt durch Bodenbeobachtungen, ist es möglich, eine glaubwürdige Statistik darüber zu erhalten, wo, wann und wie oft klimarelevante Kondensstreifen entstehen.

Vom Labor zur Flugsicherung: Können Kondensstreifen in der Praxis vermieden werden?

Die Idee, dass Piloten mithilfe neuer Wettervorhersagen und Satellitenanalysen die Flughöhe anpassen könnten, um Zonen zu vermeiden, die für die Entstehung dauerhafter Kondensstreifen geeignet sind, ist keine reine Theorie mehr. In den letzten Jahren wurden in Europa und Nordamerika zahlreiche Testflüge durchgeführt, bei denen Fluggesellschaften, Forschungsinstitute und die Flugsicherung operative „Umleitungen“ testeten, um die Entstehung der schädlichsten Streifen zu reduzieren.

Studien zeigen, dass eine kleine Anzahl gezielter Kursänderungen – oft bei nur wenigen Prozent aller Flüge – zu einer erheblichen Reduzierung der Klimaauswirkung von Kondensstreifen führen kann. Ein Teil der Forschung deutet darauf hin, dass etwa 3 Prozent der weltweiten Flüge etwa 80 Prozent der gesamten Erwärmung im Zusammenhang mit Kondensstreifen verursachen. Wenn für diese Flüge im Voraus atmosphärische Schichten identifiziert werden, in denen dauerhafte, optisch dicke Streifen entstehen werden, und die Flüge um einige hundert Meter über oder unter diese Schichten umgeleitet werden, ist es möglich, mehr als die Hälfte dieser Wirkung bei einer globalen Treibstoffverbrauchserhöhung von weniger als einem Prozent zu eliminieren.

Die Europäische Agentur für Flugsicherheit und Forschungszentren wie das Maastricht Upper Area Control Centre (MUAC) von EUROCONTROL testen bereits, wie solche Lösungen in die tägliche Arbeit von Fluglotsen und Flugplanern integriert werden können. Zentrale Herausforderungen sind die Zuverlässigkeit der Prognosen, die Belastung des Luftraums und die Verfügbarkeit von Daten in Echtzeit. Hier fügt sich die MIT-Analyse als wichtige Erinnerung ein, dass die Qualität der Prognose zur Vermeidung von Kondensstreifen nicht ohne ein detailliertes Verständnis der Einschränkungen der Satellitensensoren selbst bewertet werden kann.

Bisher kombinieren Pilotprojekte hauptsächlich meteorologische Modelle, historische Satellitenbilder und Überprüfungen während des Fluges selbst, wobei die Ergebnisse rückwirkend mit Satellitenbeobachtungen verglichen werden, um zu sehen, ob ein bestimmter Flug tatsächlich weniger dauerhafte Streifen erzeugt hat. Wenn dabei ein Teil dieser Streifen für geostationäre Satelliten unsichtbar bleibt, besteht das Risiko, dass die Wirksamkeit der Maßnahmen über- oder unterschätzt wird, je nachdem, welcher Teil der Statistik ignoriert wird.

Europa kündigt Überwachung von Nicht-CO₂-Effekten des Luftverkehrs an

In der Zwischenzeit ändert sich der politische Rahmen in Europa rasant. Die Europäische Union hat ab 2025 damit begonnen, eine Verpflichtung zur Überwachung und Berichterstattung über Nicht-CO₂-Effekte des Luftverkehrs, einschließlich Kondensstreifen, für Flüge innerhalb der Union einzuführen. Geplant ist, eine solche Überwachung in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts auch auf internationale Flüge auszuweiten. Ziel ist es, bei der Bewertung des Klima-Fußabdrucks von Fluggesellschaften nicht mehr nur Kohlendioxidemissionen zu berücksichtigen, sondern auch kurzfristige, aber intensive Effekte wie Kondensstreifen.

Parallel zu den europäischen Initiativen wird auf Ebene der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) darüber diskutiert, wie Nicht-CO₂-Effekte besser in das bestehende System von Marktmechanismen und Standards, wie das globale CORSIA-System, integriert werden können. Obwohl es derzeit keinen global verbindlichen Rahmen für Kondensstreifen gibt, wird der Druck der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Zivilgesellschaft, diesen Aspekt in nationale Klimapläne aufzunehmen, immer stärker, insbesondere nach neuen Studien, die zeigen, dass Kondensstreifen einer der Haupttreiber der gesamten Klimakosten der Luftfahrt sind.

Die MIT-Forschung fügt sich als sehr konkreter Beitrag in diesen Trend ein – sie zeigt, dass selbst das „Bild des Himmels“, auf dem wir Politiken aufbauen, noch unvollständig ist. Wenn in Zukunft beispielsweise zusätzliche Gebühren für Flüge eingeführt werden, die in Zonen mit hoher Wahrscheinlichkeit für die Entstehung dauerhafter Kondensstreifen einfliegen, wird es für Regulierungsbehörden äußerst wichtig sein zu wissen, wie genau die von ihnen verwendeten Erkennungssysteme sind.

Mehr Sensoren, offene Daten und Raum für künstliche Intelligenz

Die Autoren der MIT-Studie plädieren daher für einen Ansatz, der geostationäre und LEO-Satelliten mit Kameranetzwerken am Boden kombiniert. Unter idealen Bedingungen können Bodenkameras, die um größere Luftkorridore verteilt sind, in Echtzeit den Moment der Entstehung von Kondensstreifen erkennen und ihn mit einem bestimmten Flug und seiner Höhe verknüpfen. Derselbe Streifen kann dann in den folgenden Stunden mithilfe geostationärer Satelliten verfolgt werden, um seinen „Lebenszyklus“ zu rekonstruieren – vom dünnen Strahl hinter dem Triebwerk bis zur ausgebreiteten Wolke aus Eiskristallen.

Ein solcher Ansatz ebnet den Weg für die Entwicklung deutlich präziserer Modelle, die vorhersagen könnten, wo in den nächsten Stunden dauerhafte, klimarelevanteste Streifen entstehen werden. Im Hintergrund steht dabei eine enorme Datenmenge: Bereits heute gibt es öffentlich zugängliche Datensätze manuell identifizierter Kondensstreifen auf Satellitenbildern, die speziell für das Training von Algorithmen des maschinellen Lernens gedacht sind. Wenn diese Datensätze mit detaillierten Informationen über Flüge und atmosphärische Bedingungen verknüpft werden, ist es möglich, Modelle zu entwickeln, die Flugplaner und die Flugsicherung in Echtzeit vor Zonen mit erhöhtem Risiko warnen.

Die Rolle geostationärer Satelliten verschwindet dabei nicht – im Gegenteil, sie bleiben eine Schlüsselquelle für kontinuierliche Beobachtungen, die nicht ersetzt werden kann. Doch wie die MIT-Ergebnisse zeigen, müssen ihre Einschränkungen klar berücksichtigt werden: Ohne Ergänzung durch Daten von niedrigorbitale Satelliten und vom Boden riskieren Berechnungen der Klimaauswirkung des Luftverkehrs, systematisch unterschätzt oder fälschlicherweise auf Flüge und Regionen verteilt zu werden.

Für die Luftfahrtindustrie, die bereits mit hohen Kosten der Dekarbonisierung durch nachhaltige Treibstoffe und zukünftige kohlenstoffarme Technologien konfrontiert ist, stellen Kondensstreifen die vielleicht nächste Gelegenheit für eine relativ kostengünstige Reduzierung des Klima-Fußabdrucks dar. Das MIT-Team warnt jedoch, dass es verfrüht wäre, breite operative Verpflichtungen zur Vermeidung von Kondensstreifen ohne eine solide wissenschaftliche Grundlage und zuverlässige Überwachungsinstrumente einzuführen. Wie die Autoren betonen, ist es erst durch die Kombination verschiedener Sensoren, präziser Wettervorhersagen und systematischer Ergebnisüberprüfung möglich, Strategien zu entwickeln, die die Erwärmung wirklich reduzieren und nicht nur das Problem von einem Teil des Himmels auf einen anderen verlagern.

Langfristig wird der Erfolg solcher Ansätze nicht nur vom Fortschritt in der Satellitentechnologie abhängen, sondern auch vom politischen Willen, neue Instrumente wirklich in die operative Praxis einzuführen. Während die Anzahl der Flüge weiter wächst und die Klimaziele strenger werden, rückt die Frage der Kondensstreifen langsam aus den wissenschaftlichen Arbeiten in das Zentrum der Debatte über die Zukunft des Luftverkehrs. Ob „mehr Augen im Himmel“ auch zu mehr echter Klimaverantwortung führen werden, ist nun vor allem eine Frage der Wahl von Regulierungsbehörden, Industrie und Passagieren.

Quellen:
- Massachusetts Institute of Technology / Mirage News – Pressemitteilung zur Forschung über die Einschränkungen geostationärer Satelliten bei der Erkennung von Kondensstreifen (Link)
- Euchenhofer M. V. et al. – wissenschaftliche und technische Materialien zur Beobachtung von Kondensstreifen und den Einschränkungen geostationärer Satelliten, einschließlich öffentlich zugänglicher Datensätze manuell identifizierter Streifen (Link)
- Air Transport Action Group (ATAG) – Übersichtsdokument zu den Klimaauswirkungen von Kondensstreifen und operativen Optionen zu deren Reduzierung (Link)
- Transport & Environment – Analyse der Kosten und des Potenzials zur Vermeidung von Kondensstreifen durch begrenzte Flugwegänderungen (Link)
- EUROCONTROL / MUAC – Artikel über die Entwicklung und Erprobung von Maßnahmen zur Vermeidung von Kondensstreifen im europäischen Luftraum (Link)
- Chalmers University of Technology – Forschung zu den Gesamtklimakosten der Luftfahrt und der Rolle von Kondensstreifen (Link)
- Financial Times – Analyse der Klimaauswirkungen des Luftverkehrs und der Rolle von Kondensstreifen, einschließlich europäischer Pläne zur Überwachung von Nicht-CO₂-Effekten von Flügen (Link)