Pionierprojekt spürt Pollen, Staub und Rauch auf

Eine Synergie von Instrumenten zeichnet seit Anfang des Jahres ein breites Spektrum von Aerosolen in der MeteoSchweiz-Station in Payerne auf. Dieses Projekt, das von der EPFL, MeteoSchweiz und europäischen Partnerschaften entwickelt wurde, soll die Pollenflugvorhersage verbessern und ein besseres Verständnis der entscheidenden Auswirkungen von Bioaerosolen, Rauch und Staub auf das Klima und die Wolkenbildung ermöglichen.

Jeder Pollenallergiker kennt die rot und gelb eingeteilten Pollenflugvorhersagekarten von MeteoSchweiz. Angesichts der historischen Pollenspitzen in der Schweiz mit neuen Rekordwerten in diesem Frühjahr sind diese Vorhersagen für die öffentliche Gesundheit strategisch wichtig geworden. MeteoSchweiz hat sich mit der EPFL, der Nationalen Technischen Universität Athen (NTUA) und der Stiftung für Forschung und Technologie in Griechenland (FORTH) zusammengeschlossen, um diese Vorhersagen zu erweitern und zu präzisieren. In der aerologischen Station in Payerne wurden seit Anfang des Jahres zahlreiche Instrumente installiert. Ihr gleichzeitiger Einsatz ist weltweit einzigartig und wurde vom Europäischen Forschungsrat, einem der renommiertesten Finanzierungsprogramme, und dem Projekt "Pyrogenic TRansformations Affecting Climate and Health ( PyroTRACH )" unterstützt.

Die Anlage soll nicht nur eine größere Pollenvielfalt als bisher aufspüren - auch durch Pionierarbeit mit vertikaler Laserfernerkundung -, sondern auch andere Faktoren, die Allergien und oxidativen Stress verursachen, wie Pilzsporen, Bakterien, Staub und Rauchpartikel von Waldbränden. Darüber hinaus soll das Projekt die Pollenflugvorhersage und die Vorhersage der Wolkenbildung verbessern.

Lidar mit 3D-Messungen

Seit Mai ist ein Lidar im Laborcontainer der EPFL, nahe dem Eingang des Hauptgebäudes von MeteoSchweiz, installiert. Das Instrument besteht aus einem gepulsten UV-Laser, der mit einem Empfangsteleskop und elektrooptischen Systemen gekoppelt ist. Es erfasst in Echtzeit das Licht, das von den Partikeln zurückgestreut wird, und in der Nacht das "Leuchten", das die Partikel erzeugen, wenn der Laser auf sie trifft. Das daraus resultierende Farbspektrum liefert den einzigartigen Fingerabdruck, mit dem Pollen, Pilzsporen und Bakterien in der Luft, aber auch Rauch- und Staubpartikel durch Fluoreszenz identifiziert werden können. Weltweit sind nur vier Instrumente dieser Art in Betrieb, die alle sehr experimentell sind. Das Instrument der EPFL ist in Bezug auf seine Fähigkeiten am weitesten fortgeschritten.

Die Signale des Lidars werden alle 7 Minuten mit einer räumlichen Auflösung von 3,5 Metern und einer spektralen Auflösung von 6 Nanometern erfasst, wobei die Reichweite bis in die freie Troposphäre, also etwa 2 bis 3 Kilometer Höhe, reichen kann. Darüber hinaus ist dieses Lidar mit einem erweiterten Spektralfilter in der Lage, Partikel lebenden Ursprungs (biogen) von anderen zu unterscheiden, und zwar vom Boden bis in 4 bis 5 Kilometer Höhe, mit einer zeitlichen Auflösung von 3 bis 5 Minuten und einer räumlichen Auflösung von 3,5 Metern, wodurch 3D-Messungen erzeugt werden. Dies unterscheidet sie von den derzeitigen 2D-Messungen, die auf Bodenebene durchgeführt werden.

Hinter dieser Erfindung steht Professor Alexandros Papagiannis, der seit 40 Jahren auf diesem Gebiet forscht. Er ist der UTNA und der EPFL als Gastprofessor im Laboratoire des Processus Atmosphériques et leurs Impacts (LAPI) angegliedert. Dank eines von der EPFL bereitgestellten Instrumentenstipendiums und der finanziellen Unterstützung durch das LAPI und PyroTRACH konnten die Professoren Papayannis und Nenes die Grundkomponenten des Systems erwerben und die Beobachtungskampagne mit dem Namen PERICLÈS starten, eine Anspielung auf ihre griechischen Wurzeln (PayernE lidaR and Insitu detection of fluorescent biomass burning, bioaerosol and dust partiCLES and their cloud impacts).

Machine Learning und Aerosolanalyse

Auf dem Dach der Wetterstation in Payerne befinden sich auch zahlreiche andere Instrumente, die von Sophie Erb, Doktorandin bei MeteoSchweiz und am Laboratorium für Umweltfernerkundung der EPFL, und Kunfeng Gao, Postdoktorand am LAPI, überwacht werden. Sophie Erb bedient ein Gerät, das Pollenkörner und Pilzsporen bis zu zehnmal pro Sekunde fotografiert. Diese Bilder werden in 3D rekonstruiert und ermöglichen es ihr, eine Maschine darauf zu trainieren, sie zu erkennen, um die Art des Organismus zu identifizieren, zu dem das Pollenkorn oder die Sporen gehören, und um die Vorhersagekarten zu verbessern und zu bereichern.

Kunfeng Gao analysiert seinerseits die Konzentration und Größe von Aerosolen in der Luft, indem er sie in einer kleinen Phiole mit sich bewegendem Wasser, dem sogenannten "feuchten Zyklon", einfängt. Diese Art des Einfangens ist besser als ein Filter, da sie Staub und andere unlösliche Partikel auffängt und gleichzeitig verhindert, dass empfindliche biologische Partikel wie Bakterien zerstört werden. Die Partikel werden dann eingefroren, um ihre chemische und genomische Zusammensetzung zu analysieren und so ihre Auswirkungen auf die Gesundheit zu bewerten. Dieser Schritt soll den Wissenschaftlern auch helfen, besser zu verstehen, wie diese Partikel zur Bildung von Eis in den Wolken und damit zu Niederschlägen beitragen. Die Probenahme wird in Abstimmung mit Kalliopi Violaki durchgeführt, einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin von LAPI und Expertin für analytische Chemie, Atmosphärenchemie und Bioaerosole.

Rauchpartikel

Das von der EPFL eingesetzte Lidar sieht auch, woher die Partikel kommen, und schätzt die Menge in Echtzeit vom Boden aus bis in 4 bis 5 Kilometer Höhe ab. Im Mai und Juni zeigte das Instrument zum Beispiel, dass die Schweizer Luft mit Rauchpartikeln aus den Bränden in Kanada und den USA belastet war. In jüngerer Zeit waren es die Brände in Deutschland, die die Luft hierzulande vernebelten. "Die Auswirkungen dieser Aerosole auf die Gesundheit werden derzeit völlig unterschätzt, daher ist es absolut wichtig, besser zu verstehen, was vor sich geht", betont Professor Athanasios Nenes, Leiter des LAPI-Labors, das dieses schweizerische und europäische Forschungsprojekt leitet. "Derzeit sind wir oft blind für das, was sich über unseren Köpfen befindet, insbesondere was Bioaerosole und Rauchpartikel betrifft."

Der Professor hofft, dass er eines Tages dazu beitragen kann, neue Echtzeitdaten für die öffentliche Gesundheit zu erstellen. In der Zwischenzeit können die Pollenflugvorhersagen bereits vom Lidar profitieren: "Wir sehen jetzt, dass es einen echten Verbesserungsspielraum für die Vorhersagemodelle gibt, da die Pollenspitzenwerte an einem Tag ständig steigen und fallen. Die höchsten Pollenkonzentrationen werden tagsüber gemessen", sagt Papagiannis.