Róisín Commane entdeckt Treibhausgaslecks, um dem Klimawandel entgegenzuwirken.

New York hat ein Problem mit der Buchführung von Treibhausgasen. Der Staat verfolgt im Allgemeinen seine Quellen für Luftverschmutzung, von der Energieerzeugung über den Verkehr bis hin zur Abfallentsorgung, aber die Zahlen stimmen nicht immer mit dem überein, was sich tatsächlich in der Luft befindet. Die Menge an Methan über New York City ist zum Beispiel erstaunlicherweise höher als erwartet.

Das ist ein Rätsel, das Róisín Commane zu lösen versucht. Teil Buchhalterin, teil Detektivin, untersucht die Atmosphärenchemikerin der Columbia University die Stadt vom Gehweg bis zum Dach, um nicht identifizierte oder falsch katalogisierte Quellen von Treibhausgasen zu finden und diese Informationen nutzen, um unser Verständnis der anthropogenen Emissionen der Stadt zu verbessern.

Es gibt zwei Hauptstrategien zur Quantifizierung von Emissionen. Bottom-up-Modelle berechnen die Gesamtverschmutzung durch individuelle Quellen unter Verwendung repräsentativer Werte für jede Art von Emissionen. Top-down-Modelle beschreiben die Gesamtverschmutzung, die sich durch ein Gebiet bewegt, anhand von direkt von Turmsensoren oder Flugzeugen gemessenen Werten.

Die Herausforderung besteht darin, diese beiden Modelle in Einklang zu bringen, so Commane. "Diese Modelle können angepasst werden, um sicherzustellen, dass sie die Atmosphäre so darstellen, wie wir sie jetzt verstehen."

Das ist eine wichtige Arbeit. Städtische Gebiete sind für etwa 70 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich, und unter den Städten in den Vereinigten Staaten ist New York City die führende Quelle von Treibhausgasemissionen aus menschlicher Aktivität.

Eine bessere Erfassung von Treibhausgasemissionen könnte New York dabei helfen, sein Ziel zu erreichen, bis 2050 kohlenstoffneutral zu werden, und zeigen, wie gut seine Reduktionsbemühungen funktionieren, sagt Commane. "Wir alle haben gute Absichten, aber wenn wir zeigen können, dass die Emissionen sinken, ist das etwas Greifbares."

Und die Erkenntnisse in New York City könnten ähnliche Bemühungen anderswo informieren, insbesondere an Orten mit vergleichbarer Erdgasinfrastruktur.

Commane vergleicht atmosphärische Modellierung mit der Lösung eines komplizierten Puzzles. "Ich habe es immer genossen, mit Zahlen zu spielen", sagt sie.

Nach dem Studium der Chemie und mathematischen Physik am University College Dublin in Irland promovierte Commane in atmosphärischer Chemie an der University of Leeds in England. Dort lernte sie, Werkzeuge zu entwickeln, mit denen atmosphärische Gase gemessen werden können, einschließlich Lasersystemen.

Atmosphärenwissenschaftler Steven Wofsy, der Commane während ihrer Tätigkeit als Forschungsassistentin an der Harvard University beriet, lobt ihre Fähigkeit, "holistisch über Probleme nachzudenken". Sie sei sehr kreativ, sagt er und verweist auf ihre Arbeit zum arktischen Kohlenstoff. Viele bestehende Modelle konzentrierten sich ausschließlich auf die Sommer-Wachstumsphase, wenn die Kohlenstoffaufnahme durch Photosynthese auf ihrem Höhepunkt ist. Aber Commane erweiterte ihr Experiment, um auch die Wintermonate einzuschließen, wenn die Bodenschicht schließlich gefriert und Bodenmikroben, die organische Substanz als Kohlenstoff abbauen und freisetzen, inaktiv werden.

Commane fand heraus, dass in wärmeren Jahren Verzögerungen beim Gefrieren in der Arktis zu ausreichendem Bodenausstoß führen könnten, um die Sommeraufnahme auszugleichen und die Tundra zu einer Kohlendioxid-Nettoquelle für die Atmosphäre werden zu lassen.

Die Arbeit in der Arktis ist "etwas deprimierend", weil "Dinge dort oben sehr schnell auftauen", sagt Commane. "Die Arktis leidet unter dem, was wir hier unten ausstoßen."

Der Umzug an die Columbia University im Jahr 2018, um ihr eigenes Labor zu gründen, gab Commane die Möglichkeit, Emissionen an ihrer Quelle anzugehen. Neben dem Status von New York City als Hauptquelle von Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten rangiert es weltweit an dritter Stelle.

Sie begann damit, die Treibhausgase der Stadt zu charakterisieren, darunter Kohlendioxid und Methan. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der City University of New York, der Stony Brook University und der University of Rochester entwickelte sie ein Netzwerk von Monitoren, um Gase in der Stadt und im Bundesstaat zu untersuchen.

Sie bemerkte auch, wie grün die Stadt war. New York City beherbergt schätzungsweise 7 Millionen Bäume, aber Vegetation wird in den meisten der städtischen Kohlenstoff-Bilanzierungsmodelle nicht berücksichtigt, sagt Commane.

Commane fragte sich, ob die Bäume dazu beitragen könnten zu erklären, warum die in der Atmosphäre gemessenen Kohlendioxidemissionen geringfügig niedriger waren als von den bottom-up-Modellen vorhergesagt. Mit Hilfe der neuesten hochauflösenden Landbedeckungskarten, um die Vegetation in ihr Modell einzubeziehen, fanden sie und Dandan Wei, eine Postdoktorandin in ihrem Labor, heraus, dass die Bäume der Stadt nachmittags überraschend große Mengen an Kohlendioxid aufnehmen, etwa 40 Prozent der Emissionen der Stadt an einem Sommertag.

"Also die Bäume sind wirklich wichtig", sagt Commane, und die Modelle müssen sie berücksichtigen. Andernfalls würden Versuche, die Gesamtemissionen menschlicher Aktivitäten in der Atmosphäre zu messen, den Teil des Kohlenstoffs verpassen, der vorübergehend von den Bäumen aufgenommen wird.

Was Methan betrifft, so sind die Werte in der Luft über der Stadt mindestens dreimal so hoch wie von bottom-up-Modellen vorhergesagt. Aber niemand weiß, was den Überschuss verursacht.

To figure that out, Commane looks for methane relative to other gases, including carbon dioxide, carbon monoxide and ethane. When the sensors pick up large plumes of gas, Commane uses a technique called source attribution to determine how the plumes were produced. Wind speed and plume intensity provide information about the direction to and distance from the source.

Then it’s a matter of hopping into a car or going on foot to measure and confirm the exact location of the emissions with portable sensors, Commane says.

So far, her group has attributed a surprisingly large amount of the unaccounted-for methane to chimneys and rooftops. These are likely due to incomplete combustion of natural gas associated with building heating systems. The researchers also detected localized spikes of methane around certain equipment in now-closed landfills, which could be reduced through engineering solutions that prevent leakage. The largest signals came from older wastewater treatment plants, Commane says, but on the bright side, refurbished facilities barely produced any methane at all.

“The ground-truthing that Dr. Commane is doing is really important,” says Ellen Burkhard, a senior adviser at the New York State Energy Research and Development Authority, the state agency that funds this part of Commane’s research.

“By making these measurements in a sophisticated way, repeatedly, we can characterize the source and [how] that source may change over time,” Burkhard says. “It’s sort of the old adage: You can’t manage what you don’t measure.”

Though Commane continues to work on other projects, she finds the partnership between her lab and the energy research agency particularly rewarding because it’s so solutions-oriented. It keeps her realistic but hopeful in the fight against climate change. “If we didn’t have a way of trying to help fix things, it would feel a lot more futile,” she says. “Here, I can do something about it. And that makes a big difference, I think.”

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