Stickstoffdioxid-Messungen über München mittels DOAS -Fernerkundung

Stickstoffdioxid (NO₂) ist eines der sogenannten Spurengas der Luft. Es entsteht unter anderem bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, z.B. Kohle oder Öl, ist aber ist auch im Abgas vor allem von Dieselmotoren enthalten. Es kann die menschliche Gesundheit nachhaltig schädigen. Zu den Folgen zählen unter anderem kardiovaskuläre Erkrankungen und chronische Atemwegsbeschwerden. Auch kurzfristige Expositionen können akute Atemwegsprobleme verursachen und die Atemwege reizen [1].

Um ein genaues Bild davon zu erhalten wie sich NO₂ in der Umwelt ausbreitet, ist es wichtig die örtliche Verteilung der Konzentration zu kennen. Durch die genaue Kartierung der NO₂-Konzentrationen können Regierungen und Gesundheitsbehörden fundierte Entscheidungen treffen, um die öffentliche Gesundheit zu schützen und ggf. Maßnahmen zur Reduzierung der NO₂-Emissionen zu entwickeln. Darüber hinaus können sich so auch Bürgerinnen und Bürger selbst informieren, um bei Empfindlichkeit ihre Exposition zu verringern und ihre Gesundheit zu schützen.

Unser Ziel ist es daher die NO₂-Konzentration über München zu rekonstruieren. Benutzt wird dazu die differentielle optische Absorptionsspektroskopie (DOAS). Sie beruht auf der Messung der Absorption von Licht durch die Moleküle der Luft. So wird ermöglicht, die Gesamtmenge bestimmter Gase entlang eines Lichtweges abzuleiten. Die Herausforderung besteht nun darin aus diesen entlang der Strecke aufintegrierten Mengen detaillierte 2- oder 3-dimensionale Verteilungen über der Stadt abzuleiten. Hier kommt ein spezieller Ansatz zum Einsatz, um die wahrscheinlichste Verteilung zu rekonstruieren, der Tomographie genannt wird und auch aus der Medizin bekannt ist. Anstatt nur eine einzelne die Absorption entlang der Messstrecken erklärende Verteilung zu identifizieren, wird eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeitsverteilung unter Berücksichtigung der Messdaten und anderer Randbedingungen, wie z.B. der typischen möglichen räumlichen Fluktuationen, vorgenommen. Dieser Ansatz wird mit Hilfe der Analysesoftware NIFTy [2] verfolgt, eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik.

Unsere ersten Tomographie-Messungen basieren auf einer Anordnung von zwei passiven DOAS-Geräten, eines auf dem Oskar-von-Miller Turm in Garching (DOAS 2) und das andere auf unserem Insitutsgebäude in der Innenstadt (DOAS 1). Diese Geräte messen die Absoption durch NO2 entlang verschiedener Höhenwinkeln. Mithilfe der Rekonstruktionsmethode wird dann die Konzentration von NO₂ entlang des Höhenschnittes über München in Richtung Garching kartiert. Das vorläufige Ergebnis ist in der Abbildung gezeigt. Hellere, "wärmere" Bereiche bezeichnen eine höhere Konzentration, wogegen dunklere, "kühlere" Bereiche für eine geringe Konzentration stehen. Die Transparenz steht für die statistische Unsicherheit der Rekonstruktion an der jeweiligen Position. Zu sehen ist, dass die Konzentration über München höher ist als über Garching, was unseren Erwartungen entspricht. Über eine 2-dimensionale Rekonstruktuktion hinaus möchten wir in Zukunft diesen Ansatz mit aktiven DOAS Messgeräten kombinieren, um die NO₂-Dichte in einem kleineren Bereich 3-dimensional aufzulösen. Wir sind bestrebt, die Luftqualitätsüberwachung weiter zu verbessern und darauf aufbauend die Auswirkungen von Luftschadstoffen besser zu verstehen.

Quellen:

• [1] https://www.umweltbundesamt.de/no2-krankheitslasten
• [2] Edenhofer, G., Frank, P., Roth, J., Leike, R., Guerdi, M., Scheel-Platz, L., Guardiani, M., Eberle, V., Westerkamp, M., and Enßlin, T.. (2024). Re-Envisioning Numerical Information Field Theory (NIFTy.re): A Library for Gaussian Processes and Variational Inference.