5. Mai 2020
Satellitenbeobachtung

Trotz Wet­te­r­ein­fluss - Co­ro­na-Ef­fekt auf die Luft­qua­li­tät nun ein­deu­tig

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Vergleich der NO2-Belastung in Europa zwischen 2019 und 2020
Ver­gleich der NO2-Be­las­tung in Eu­ro­pa zwi­schen März/April 2019 und 2020
Bild 1/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Vergleich der NO2-Belastung in Europa zwischen März/April 2019 und 2020

Auch die Be­ne­lux-Län­der, West­deutsch­land, Nor­di­ta­li­en, das süd­li­che Groß­bri­tan­ni­en, so­wie Hots­pots wie die Po­ebe­ne, Ma­drid, Pa­ris, Mai­land und Rom zei­gen im Ver­gleich zum Vor­jahr ei­nen Rück­gang des tro­po­sphä­ri­schen NO2 um mehr als 40 Pro­zent. Die an­ge­spro­che­nen, wet­ter­be­ding­ten Schwan­kun­gen wur­den durch die Bil­dung von Mo­nats­mit­teln re­du­ziert. Ge­mit­telt wur­de hier über den Zeit­raum 16.03 – 15.04. Ei­ne Be­rei­ni­gung des Wet­te­r­ein­flus­ses durch die im Text be­schrie­be­ne Kom­bi­na­ti­on aus lang­jäh­ri­gen Sa­tel­li­ten­be­ob­ach­tun­gen, In-si­tu-Mes­sun­gen und Mo­dell­be­rech­nun­gen er­folg­te hier nicht.
Vergleich der NO2-Belastung in Asien zwischen 2019 und 2020 als GIF
Ver­gleich der NO2-Be­las­tung in Asi­en zwi­schen 2019 und 2020 als GIF
Bild 2/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Vergleich der NO2-Belastung in Asien zwischen 2019 und 2020 als GIF

Auch die hoch­auf­lö­sen­den Da­ten von Sen­ti­nel-5P zei­gen  über Asi­en ei­nen NO2-Rück­gang im Ver­gleich zum Vor­jahr von teil­wei­se mehr als 40 Pro­zent. Der Rück­gang be­schränkt sich da­bei nicht auf große Städ­te. Wenn auch Mum­bai und Del­hi in In­di­en im Ver­gleich zum Jahr 2019 so­gar ei­nen Rück­gang in ei­ner Grö­ßen­ord­nung von 40-60 Pro­zent auf­wei­sen. Die an­ge­spro­che­nen, wet­ter­be­ding­ten Schwan­kun­gen wur­den durch die Bil­dung von Mo­nats­mit­teln re­du­ziert. Ei­ne Be­rei­ni­gung des Wet­te­r­ein­flus­ses durch die im Text be­schrie­be­ne Kom­bi­na­ti­on aus lang­jäh­ri­gen Sa­tel­li­ten­be­ob­ach­tun­gen, In-si­tu-Mes­sun­gen und Mo­dell­be­rech­nun­gen er­folg­te hier nicht.
Entwicklung der NO2-Belastung über der Lombardei
Ent­wick­lung der NO2-Be­las­tung über der Lom­bar­dei
Bild 3/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Entwicklung der NO2-Belastung über der Lombardei

Zeit­li­che Ent­wick­lung der NO2-Be­las­tung über der Lom­bar­dei für den Zeit­raum vom 1. Ja­nu­ar bis zum 15. April, wie sie sich aus Be­ob­ach­tun­gen von ei­nem Sa­tel­li­ten er­ge­ben (GO­ME-2 an Bord des Me­tOP-A-Sa­tel­li­ten). Dar­ge­stellt sind tro­po­sphä­ri­sche Ver­ti­kal­säu­len in µmol/m², al­so An­zahl von NO2-Mo­le­kü­len pro Qua­drat­me­ter. Die blaue Kur­ve zeigt den Ver­lauf für das Jahr 2020. Die ro­te Kur­ve zeigt den Mit­tel­wert für den glei­chen Zeit­raum über die Jah­re von 2007 bis 2019. Die hell­ro­te Flä­che gibt die Va­ria­bi­li­tät (Stan­dard­ab­wei­chung) über die­sen Zeit­raum an. Ab An­fang März, zeit­gleich mit dem Lock­down in Ita­li­en, liegt die blaue Kur­ve un­ter­halb des Schwan­kungs­be­reichs der lang­jäh­ri­gen Ver­gleichs­mes­sun­gen.
Messungen der NO2-Konzentration
Mes­sun­gen der NO2-Kon­zen­tra­ti­on
Bild 4/4, Credit: ARPA Lombardia

Messungen der NO2-Konzentration

Mes­sun­gen der NO2-Kon­zen­tra­ti­on in der der Um­ge­bungs­luft an 25 Bo­den­sta­tio­nen in der Lom­bar­dei vom 15.02 bis 15.04 als Mit­tel über die Jah­re 2013 bis 2019 (ro­te Li­nie), so­wie für das Jahr 2020 (blaue Li­nie) Die grau schat­tier­te Flä­che zeigt die Stan­dard­ab­wei­chung (Streu­ung), die hell­ro­te Flä­che den mi­ni­ma­len und ma­xi­ma­len Wer­te­be­reich der Vor­jah­re.

Schwerpunkte: Raumfahrt, Erdbeobachtung, Klima

Vergleich der NO2-Belastung in Nordamerika zwischen 2019 und 2020
Vergleich der NO2-Belastung in Nordamerika zwischen März/April 2019 und 2020
Die Situation in Nordamerika zwischen Mitte März und April ähnelt im Jahresvergleich der in Europa. Hier liegt die Reduktion des troposphärischen NO2 an der Ostküste und insbesondere in der Region um New York in der Größenordnung von 30 Prozent. Die angesprochenen, wetterbedingten Schwankungen wurden durch die Bildung von Monatsmitteln reduziert. Gemittelt wurde hier über den Zeitraum 16.03 – 15.04. Eine Bereinigung des Wettereinflusses durch die im Text beschriebene Kombination aus langjährigen Satellitenbeobachtungen, In-situ-Messungen und Modellberechnungen erfolgte hier nicht.
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Die Hälfte der Menschheit ist im Zuge der Corona-Pandemie durch Lockdown-Maßnahmen betroffen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der europäische Satellit Sentinel-5P im Vergleich zum letzten Jahr global einen starken Rückgang von Stickstoffdioxid (NO2) zeigt. Stickstoffdioxid ist ein Indikator für Luftbelastung durch industrielle Produktion und Verkehr.

Doch der Vergleich ist trügerisch. Dieses Jahr sorgte Polarluft in weiten Teilen Europas sowie eine andauernde Westwindlage, bei der sich die Schadstoffe nicht anreichern konnten, bereits für ungewöhnlich saubere Luft. Die Beurteilung des Corona-Effekts ist daher komplex. Wissenschaftler des Earth Observation Center (EOC) im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) konnten den "Corona-Effekt" jetzt wissenschaftlich stichhaltig belegen.

Langzeitanalysen und der Einfluss des Wetters

Seit vielen Jahren liefert der europäische Satellit MetOP-A täglich Messungen der globalen Schadstoffverteilung. Die Langzeitanalysen zeigen: starke witterungsbedingte Schwankungen des Luftschadstoffs NO2 gab es immer. Allerdings erfasst der Satellit die gesamte Atmosphäre. In zunehmender Höhe können Winde Luftschadstoffe verfrachten, verdünnen oder Belastungen aus entfernten Regionen hereintragen. Daher sind diese Messungen alleine kein Beweis. Auch am Boden werden durch Winde und Niederschläge Schadstoffe verlagert oder ausgewaschen. Daher sind die Messdaten von Bodenstationen alleine auch nicht aussagekräftig genug.

NO2-Differenz über der Lombardei
NO2-Differenz über der Lombardei
Differenz zwischen 25 Bodenstationsmessungen der NO2-Konzentration in der Lombardei vom 15.02 bis 20.04 mit der Simulation des Luftqualitätsmodells POLYPHEMUS/DLR. Ab 8.März ist der Rückgang der NO2-Konzentrationen deutlich ersichtlich.
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Die Lombardei in Italien wurde früh von Corona heimgesucht. Ab dem 8. März 2020 hatte die italienische Regierung daraufhin in rascher Folge Quarantäne-Maßnahmen beschlossen. Satelliten- und Bodenmessungen zeigen entsprechend seit dem Lockdown eine Abweichung vom langjährigen Mittelwert. Ein erstes Indiz.

Doch wie berücksichtigen die DLR-Wissenschaftler den Einfluss des Wetters? Hierfür wird die Schadstoffbelastung am Computer simuliert.

Die Wissenschaftler starteten ihre Berechnung mit Emissionswerten von Schadstoffen, die über mehrere Jahre gemittelt wurden und die Normalsituation abbilden. Damit ist sichergestellt, dass das Modell von den Corona bedingten-Maßnahmen nichts weiß. Es berücksichtigt aber von Stunde zu Stunde die realen Wetterbedingungen. Anschließend folgt der Vergleich mit den diesjährigen Messdaten. Die modellierte Normalsituation wurde dazu von den tatsächlichen Bodenmesswerten abgezogen. Und tatsächlich: ab dem 8. März führt der Lockdown in der Lombardei zu einer echten Reduktion der NO2-Belastung um etwa 20µg/m³. Ein Rückgang um 45 Prozent.

Vergleich der Sentinel-5P-Belastung der NO2-Emissionen in Südamerika zwischen 2019 und 2020
Vergleich der NO2-Belastung in Südamerika zwischen 2019 und 2020
In Südamerika ist ein Rückgang von 50-60 Prozent für Buenos Aires und Sao Paolo sowie von 20-30 Prozent für Guayaquil und Santiago de Chile messbar. Die angesprochenen, wetterbedingten Schwankungen wurden durch die Bildung von Monatsmitteln reduziert. Eine Bereinigung des Wettereinflusses durch die im Text beschriebene Kombination aus langjährigen Satellitenbeobachtungen, In-situ-Messungen und Modellberechnungen erfolgte hier nicht.

Kombinierte Analyse

Einzig Satelliten erlauben eine kontinuierliche globale Messung von Schadstoffen. Die Untersuchung zeigt, wie gut diese Messungen zu Bodenwerten und Modellen passen. Doch erst eine kombinierte Betrachtung von Satellitenmessungen, In-situ-Daten und Computermodellierungen ermöglichen einen wissenschaftlich stichhaltigen Nachweis des "Corona-Effekts". Für pauschale Bewertungen ist das atmosphärische Geschehen zu komplex. Das wird in anderen Regionen dieser Welt deutlich. Dort liegen die derzeitigen Messwerte zum Teil innerhalb der Schwankungsbreite der letzten Jahre. Ob dies auf spezielle lokale Witterungsbedingungen oder ein späteres Einsetzen der Lockdown-Maßnahmen zurückzuführen ist, bleibt ohne genaue Untersuchung unklar.

Vergleich der NO2-Belastung in Afrika zwischen 2019 und 2020
Vergleich der NO2-Belastung in Afrika zwischen März/April 2019 und 2020
Die NO2-Reduktion in der Troposphäre in Südafrika beträgt in der Region um Johannesburg sogar mehr als 75 Prozent. Die angesprochenen, wetterbedingten Schwankungen wurden durch die Bildung von Monatsmitteln reduziert. Eine Bereinigung des Wettereinflusses durch die im Text beschriebene Kombination aus langjährigen Satellitenbeobachtungen, In-situ-Messungen und Modellberechnungen erfolgte hier nicht.
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Die Analyse für die Lombardei wurde mit Daten des europäischen Satelliten MetOp-A durchgeführt. Seit 2018 stehen mit dem europäischen Satellit Sentinel-5P nun auch Messungen in weit höherer Auflösung zur Verfügung. Diese werden künftig helfen, Emissionsquellen und Schadstofftransporte besser nachzuvollziehen. Noch fehlen hier die langen Zeitreihen, so dass nur Vergleiche zwischen 2019 und 2020 möglich sind. Um hier den Wettereffekt zumindest zu reduzieren, wurden am DLR global Monatsmittel gebildet. Hierfür wurden über zwei Monate hinweg 1,2 Billionen Einzelmessungen DLR Algorithmen verarbeitet und auf ihre Qualität hin geprüft. Auch diese Daten zeigen ­– wenn auch nicht wetterunabhängig – einen klare Reduktion der Emissionen. Die am DLR erzeugten Daten werden unter anderem in dem vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur geförderten Projekts S-VELD genutzt, um den Einfluss von Verkehrsemissionen auf die Luftqualität in Deutschland zu analysieren.

Diese Analyse beinhaltet vom DLR prozessierte und modifizierte Daten des Copernicus Sentinel-5 Precursor Satelliten (2019-2020).

Die operativen GOME-2 Daten werden im Rahmen des EUMETSAT AC-SAF Projekts durch das DLR bereitgestellt.

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