CO₂-Messungen auf der Wasserkuppe

Zusammenfassung

• Jahresgang: Am höchsten liegen die Werte im März, am niedrigsten im August. Im Sommer nehmen Pflanzen CO₂ auf. Im Winter fällt diese Aufnahme weg, dazu kommen Atmung des Bodens und Heizen.
• Tagesgang: Nur im Sommer deutlich (etwa ±5 ppm um das Tagesmittel), im Winter kaum vorhanden.
• Anstieg: Über den ganzen Zeitraum ähnelt der Anstieg dem der Referenzstation. Die Wasserkuppe streut aber deutlich stärker.
• Datenqualität: Der Abstand zur Referenzstation wechselt mehrfach innerhalb weniger Wochen um 10 bis 12 ppm. Ein solcher Niveauwechsel kommt nicht aus der Atmosphäre. Absolutwerte und Teiltrends sind deshalb mit Vorsicht zu lesen.

Die Station

Die Messstation Wasserkuppe gehört zum Luftmessnetz des Hessischen Landesamts für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG). Sie liegt auf 950 m Höhe auf dem höchsten Berg der Rhön, weit entfernt von großen Städten. Für Kohlendioxid betreibt das Landesamt in Hessen zwei Stationen, in Linden und auf der Wasserkuppe.^[2]

Wie stark die Umgebung die Messung beeinflusst, lässt sich an nächtlichen Satellitenbildern abschätzen. Das Lichtbild der Erde bei Nacht ist überwiegend vom Menschen gemacht. Das Instrument VIIRS auf dem Satelliten Suomi NPP (Start 2011, NASA und NOAA) reicht dafür aus: Es erfasst so schwaches Licht, dass es sogar einzelne Schiffe auf dem Meer sichtbar macht.^[4] Um die Wasserkuppe zeigen die Bilder nur wenige Lichter, in der Nähe liegt zusätzlich der Truppenübungsplatz Wildflecken. Das spricht für eine ländliche Umgebung mit geringem direktem Einfluss durch Siedlungen.

Datengrundlage

Die Daten stammen aus dem Datenportal des HLNUG^[1]. Der Export vom 21.09.2026 enthält alle 14 verfügbaren Parameter der Station als Stundenmittelwerte, vom 05.07.2000 bis zum 31.12.2017: Ozon, Stickstoffdioxid, Stickstoffmonoxid, Feinstaub PM10, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Globalstrahlung, Luftdruck, Niederschlag, relative Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Feinstaub PM2,5 ist im Export enthalten, hat aber für diese Station keine Werte.

Nicht jeder Parameter wurde über den ganzen Zeitraum gemessen. Die Übersicht zeigt, für welchen Anteil der Stunden je Jahr ein Wert vorliegt. Zwei Lücken sind wichtig: Kohlendioxid gibt es erst ab November 2001, davor und in einigen Monaten danach fehlt es ganz. Luftdruck liegt erst ab Herbst 2011 vor.

Aufbereitung

Die Rohdatei ist eine Textdatei mit Semikolon als Trennzeichen und Komma als Dezimalzeichen. Ein Strich „-“ steht für einen fehlenden Wert. Die Auswertung läuft in Python mit den Bibliotheken pandas, NumPy und SciPy. Vier Schritte sind nötig:

1. Einlesen. Trennzeichen ;, Dezimalkomma, „-“ als fehlend. Die Spalten werden in kurze Namen umbenannt (co2, temp, wind und so weiter).
2. Zeitstempel. Ein Zeitstempel bezeichnet das Ende der Messstunde: Die erste Zeile lautet 05.07.2000 01:00, die letzte 31.12.2017 24:00 (alle Zeiten in MEZ, ohne Sommerzeit). „24:00“ ist Mitternacht am Ende des Tages und wird zu 00:00 des Folgetags. Für Tages- und Monatswerte wird um eine Stunde zurückgeschoben, sodass die Stunde 23:00–24:00 noch zum selben Tag gehört.
3. Plausibilitätsgrenzen. CO₂-Werte außerhalb von 340 bis 500 ppm werden entfernt. Das trifft 103 von 133.014 Werten (0,08 %), darunter einzelne Ausreißer bis 717 ppm.
4. Monatswerte. Der Median der Stundenwerte je Monat, aber nur bei mindestens 400 Stunden (rund 55 % des Monats). 12 der 194 Monate haben danach keinen Wert.

df = pd.read_csv(datei, sep=";", decimal=",", na_values=["-"], index_col=False)

# "24:00" = Mitternacht am Ende des Tages, also 00:00 des Folgetags
stunde = df["Zeit"].str.slice(0, 2).astype(int)
tag = pd.to_datetime(df["Datum"], format="%d.%m.%Y")
df.index = tag + pd.to_timedelta(stunde, unit="h")

co2 = df["co2"].where(df["co2"].between(340, 500))          # Plausibilitätsgrenzen
monat = co2.resample("MS").agg(["count", "median"])
monat.loc[monat["count"] < 400, "median"] = np.nan          # zu wenige Stunden

Daten erkunden

Hier lassen sich alle Tagesmittelwerte selbst ansehen. Zwei Parameter können übereinander gelegt werden, jeder mit eigener Achse. Ein gleitender Mittelwert glättet die Kurve. Zwischen Temperatur und CO₂ erkennt man den Jahresgang, bei Ozon und Strahlung die Jahreszeiten, beim Luftdruck erst ab Herbst 2011 überhaupt Werte.

Jahresgang

Für jeden Monat von 2001 bis 2017 zeigt die Tabelle den Median der CO₂-Stundenwerte. Von oben nach unten liest man die Jahre, von links nach rechts die Monate. Das Muster kehrt jedes Jahr wieder: helle Felder im Winter und Frühjahr, dunkle im Sommer.

Legt man die Jahre übereinander und zieht von jedem Monat das Jahresmittel ab, bleibt der reine Jahresgang. Im Mittel aller Jahre ist der März der höchste Monat (rund 9 ppm über dem Jahresmittel) und der August der niedrigste (rund 12 ppm darunter).

Die Ursache ist die Vegetation. Im Sommer nehmen Pflanzen durch Photosynthese CO₂ auf:

Im Winter findet diese Aufnahme kaum statt, dagegen entsteht durch Atmung des Bodens und durch Verbrennung zusätzliches CO₂. Die weltweite Grundlinie an der Referenzstation Mauna Loa (Hawaii) erreicht ihr Maximum im Mai, weil die Vegetation der Nordhalbkugel erst dann in großem Umfang CO₂ aufnimmt.^[5] Die Wasserkuppe liegt mitten in einer Landschaft mit Wald und Wiesen, dort setzt die Aufnahme früher ein und die regionalen Luftmassen prägen den Verlauf mit. Dass das Maximum hier schon im März liegt, ist deshalb plausibel. Belegen lässt es sich mit diesen Daten allein nicht.

Tagesgang

Auch über den Tag verändert sich die CO₂-Konzentration. Nachts, wenn keine Photosynthese stattfindet und sich die Luft unten kaum durchmischt, sammelt sich CO₂ an. Am Nachmittag ist die Vegetation aktiv und die Luft durchmischt sich gut, die Konzentration sinkt.

Trend und Datenqualität

Aus den Monatswerten lässt sich ein Trend berechnen. Dazu wird zuerst der mittlere Jahresgang abgezogen, dann legt man eine Gerade durch die verbleibenden Werte. Als Vergleich dient die Referenzstation Mauna Loa, deren Messreihe von der amerikanischen Wetter- und Ozeanbehörde NOAA veröffentlicht wird.^[3] Mauna Loa liegt weitab von Emissionsquellen und zeigt den globalen Anstieg.

Über 16 Jahre liegt der Anstieg an der Wasserkuppe bei etwa 2,4 ppm pro Jahr und damit nahe an dem der Referenzstation (2,1 ppm). Die Zahlen täuschen aber: Die Gerade erklärt an der Wasserkuppe nur drei Viertel der Streuung, bei Mauna Loa 95 Prozent. Und betrachtet man nur die Jahre ab 2010, sinkt der Anstieg an der Wasserkuppe auf etwa 1,4 ppm bei einer Unsicherheit von ±0,4 – die Referenz zeigt in dieser Zeit sogar mehr als zuvor.

Die Niveauwechsel lassen sich an einzelnen Stellen benennen. Der Abstand ohne Jahresgang steigt von Januar auf Februar 2003 um etwa 12 ppm, von Dezember 2004 auf Februar 2005 (im Januar fehlen Werte) um etwa 11 ppm, fällt im April 2006 innerhalb eines Monats um etwa 12 ppm und steigt von Dezember 2009 auf Januar 2010 um etwa 10 ppm. Die Referenz ändert sich in diesen Monaten nur um 1 bis 2 ppm. Deshalb ist der Anstieg der Jahresmittel „ab 2005“, den man in der Grafik unten und in der Monatstabelle oben sieht, kein belastbares Klimasignal für diesen Ort.

Wind und Luftmasse

Woher der Wind kommt, sagt etwas über die Herkunft der Luft. Für jede der 16 Windrichtungen zeigt das Diagramm, wie weit die CO₂-Konzentration im Mittel über oder unter dem 30-Tage-Median liegt. Dadurch fallen Jahreszeit und Trend heraus. Es zählen nur Stunden mit mindestens 1 m/s Wind.

Bei Wind aus West bis Nordwest liegt das CO₂ im Mittel 2 bis 3 ppm über dem Vergleichswert, bei Wind aus Süd bis Südsüdwest bis zu knapp 1 ppm darunter. Die Unterschiede sind klein gegenüber den Sprüngen in der Reihe. Welche Quellen dahinterstehen, zeigt diese Auswertung nicht. Dafür bräuchte man Rückwärtstrajektorien der Luftmassen.

Welche Größen sonst noch zusammenhängen, zeigt die Korrelationsmatrix. Sie beruht auf Tagesmittelwerten, aus denen der 31-Tage-Median entfernt wurde, sodass nur kurzfristige Schwankungen verglichen werden.

Grenzen der Auswertung

• Eine Station. Was hier sichtbar ist, gilt für diesen Ort. Aussagen über Hessen oder Deutschland lassen sich daraus nicht ableiten.
• Sprünge in der Reihe. Die Ursache kennt nur der Betreiber. Eine Korrektur der Daten wurde nicht versucht, weil sie ohne Kenntnis der Gerätehistorie geraten wäre.
• Lücken. Für 2001 liegen nur zwei Monate vor, für 2005 sieben. Ein Jahresmittel aus lückenhaften Monaten ist verzerrt, weil der Jahresgang groß ist. Deshalb zeigt das Jahresdiagramm nur Jahre mit mindestens zehn Monaten.
• Luftdruck erst ab 2011. Eine Umrechnung von mg/m³ mit dem Messdruck wäre für die Jahre davor nicht möglich. Der aktuelle Export liefert ppm direkt.
• Zeitraum bis 2017. Für spätere Jahre stellt das Landesamt wegen der Erfassungsprobleme derzeit keine CO₂-Daten bereit.
• Gewählte Grenzen. Die Schwellen 340–500 ppm und 400 Stunden pro Monat sind Festlegungen. Ein Test mit Grenzen von 330–520 und 350–480 ppm sowie 300 bis 600 Stunden je Monat ergibt einen Anstieg von 2,33 bis 2,35 ppm pro Jahr und eine Jahresgang-Spanne von 20,3 bis 20,7 ppm. Maximum im März und Minimum im August bleiben in allen Varianten gleich.

Quellen und Daten

1. Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG): Datenportal, Station Wasserkuppe. hlnug.de/messwerte/datenportal. Export vom 21.09.2026, Stundenmittelwerte 05.07.2000 bis 31.12.2017.
2. HLNUG: Kohlendioxid. hlnug.de/themen/luft/luftschadstoffe/kohlendioxid.
3. NOAA Global Monitoring Laboratory: Mauna Loa CO₂, monatliche Mittelwerte. gml.noaa.gov/ccgg/trends. Abgerufen am 21.09.2026.
4. Hattenbach, J. (2012, 6. Dezember): Das neue Bild der Erde – bei Nacht. SciLogs. scilogs.spektrum.de.
5. Max-Planck-Gesellschaft (2016, 21. Januar): Florierende Vegetation verstärkt Kohlendioxid-Schwankungen. mpg.de.
6. Umrechnung ppm und mg/m³: NABU Eibelshausen, Rechner; Jacobi, S.: Grundlagen der Luftreinhaltung, Vorlesungsfolien, HLNUG.