Luftqualität unter der Lupe: Validierung von Satellitendaten durch Bodenmessungen in Limassol, Zypern
Satellitenmessungen bieten eine globale, flächendeckende, einheitliche Erfassung von Luftschadstoffen. Für die kleinräumigen, dynamischen Verhältnisse in Städten reicht ihre räumliche und zeitliche Auflösung jedoch nicht aus. Satelliten erfassen die vertikale Schadstoffsäule über die gesamte Atmosphäre. Die Abschätzung der bodennahen Konzentrationen ist schwierig. Gerade die bodennahe Schadstoffbelastung der Luft hat jedoch erhebliche Auswirkungen: Ein durchschnittlicher Mensch atmet täglich etwa 11.000 Liter Luft ein – darunter auch gesundheitsgefährdende Substanzen wie Stickstoffdioxid (NO₂) und Feinstaub (PM). Bodengestützte, amtliche Messstationen liefern genauere Werte, sind jedoch teuer und nur spärlich verteilt. Hier setzt das AirTRack-System an, welches gemeinsam von der Universität Augsburg und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde. Es basiert auf kommerziell verfügbaren low-cost-Sensoren und liefert nach entsprechender Kalibration zuverlässig Änderungen der Schadstoffkonzentrationen wie PM, NO₂ und Ozon sowie meteorologische Parameter (Temperatur, Feuchte, Luftdruck) mit hoher zeitlicher Auflösung. Ein engmaschiges Netz solcher Sensorik erlaubt die Erfassung der kleinräumigen Variabilität der Schadstoffe in dem vermessenen Gebiet. Zusammen mit den Satellitendaten, die eher die großräumige Struktur der Luftqualität angeben, kann so einerseits ein vollständigeres Bild der Schadstoffkonzentrationen gewonnen werden. Andererseits unterstützt AirTrack bei der Entwicklung und Evaluierung von Verfahren zur Ableitung bodennaher Schadstoffkonzentrationen aus Satellitendaten.
Im April 2025 wurde in Limassol auf Zypern im Rahmen des EU-Projekts Exupery in Kooperation mit der Universität Limassol und dem Erastothenes Center of Excellence erstmals ein engmaschiges Netzwerk der AirTrack-Systeme installiert (s. Karte). Die Insel eignet sich ideal als Untersuchungsgebiet, da sie durch starken Individualverkehr und regelmäßige Saharastaubereignisse mit erheblichen Luftqualitätsproblemen zu kämpfen hat. Gleichzeitig verfügt Limassol mit über 100 000 Einwohnern nach unserem Wissen lediglich nur über eine amtliche Bodenmessstation. Die AirTrack-Sensoren wurden gezielt an Standorten mit unterschiedlichen Charakteristika wie Autobahnnähe, Hafenbereich, Innenstadt und städtischem Umland positioniert. Seitdem liefern sie minütlich Echtzeitdaten zur Schadstoffbelastung sowie deren räumlicher und zeitlicher Variabilität.
Zeitgleich mit dem Überflug des europäischen Satelliten Sentinel-5P wurden die Verhältnisse am Boden durch die stationären AirTrack-Systeme und durch kleinere, mobile AirTrack-Systeme auf zwei Drohnen aufgezeichnet. Die Drohnen erfassten vertikale Schadstoffprofile, die ebenfalls dazu beitragen können, Satellitendaten besser interpretieren zu können. Das Messinstrument an Bord von Sentinel-5P, TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument), liefert Daten zur globalen Luftverschmutzung in einer horizontalen Auflösung von etwa 25 Quadratkilometern.
Durch das dichte bodengebundene AirTrack-Netzwerk innerhalb eines solchen Satellitenpixels kann nun auf den sogenannten „Observational Filter“ des satellitenbasierten Instruments geschlossen werden. Dieser gibt an, wie das Instrument raumzeitliche Variabilitäten „sieht“. Die Kenntnis dieses Filters ist unbedingt nötig, um die Messungen des Satelliten mit bodengebundenen Messungen belastbar vergleichen zu können.
Durch die Kombination aus bodengestützten low-cost Sensoren, vertikalen Drohnenprofilen und Satellitenmessungen lässt sich die räumlich-zeitliche Dynamik der Luftschadstoffe deutlich detaillierter erfassen. Dies bietet das Potenzial, Satellitenmessungen gezielt zu ergänzen. Langfristig könnte dies dazu beitragen, verlässlichere Aussagen über Luftqualität und Gesundheitsrisiken auf lokaler Ebene zu ermöglichen.
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Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Michael Bittner