Messung der horizontalen und vertikalen Verteilung von Luftschadstoffen in Wien

Das übergeordnete Ziel des geplanten Projektes ist, vom Menschen verursachte Luftverschmutzung in Ballungsräumen besser zu verstehen. Die Untersuchung von Stickstoffdioxid (NO2) und Aerosolen wird sich dabei auf spektrale Messungen mit zwei MAX-DOAS (Multi-Axiale Differentielle Optische Absorptionsspektroskopie) Instrumenten an zwei verschiedenen Standorten in Wien stützen. Die MAX-DOAS Methode wird für Messungen von gestreutem Sonnenlicht in verschiedenen Blickrichtungen verwendet, aus denen die horizontale und vertikale Verteilung von Spurengasen und Aerosolen in Bodennähe abgeleitet werden kann wichtige Messungen für die Quantifizierung der Luftverschmutzung. Die Datenauswertung wird sich auf eine schnelle geometrische Annäherung sowie die exaktere Methode der Optimal Estimation stützen und troposphärische Säulen und Vertikalprofile von NO2 und Aerosolen ergeben. Einerseits ermöglichen die aus den MAX-DOAS Messungen abgeleiteten troposphärischen Vertikalsäulen zusammen mit meteorologischen Messungen (z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung) die Überwachung von Luftschadstoffen über städtischem Hintergrund, stark befahrenen Straßen, und industriellen Punktquellen auf horizontaler Ebene. Andererseits liefern die Vertikalprofile eine wichtige Datengrundlage, die für den Vergleich mit bestehenden in-situ Messungen verwendet werden kann. Die geplanten Langzeitmessungen (über zwei Jahre) liefern einen wertvollen Datensatz für die Analyse der zeitlichen Variabilität von Luftschadstoffen (NO2 und Aerosole) über Wien. Ein Vergleich der in Wien erhobenen Daten mit vergleichbaren MAX-DOAS Messungen in Athen, Griechenland, oder Bremen, Deutschland, wird Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen verschmutzten Standorten mit unterschiedlichen meteorologischen und photochemischen Bedingungen aufzeigen. Die troposphärischen NO2-Säulen ermöglichen die Validierung von Messungen der Satelliteninstrumente OMI, GOME-2, und TROPOMI sowie den Vergleich mit Modellsimulationen (z.B. vom COPERNICUS Atmosphärenbeobachtungsdienst). Da sich bei den beiden Messgeräten Blickfelder einzelner azimutaler Richtungen teilweise überschneiden und die ergänzenden Messungen von in-situ Instrumenten eine Vielzahl an Information zur räumlichen Ausbreitung von NO2 bieten, soll versucht werden, ein räumlich aufgelöstes Bild der Luftverschmutzung über Wien mit Hilfe der tomographischen Inversion zu entwickeln eine neuartige Methode in Bezug auf MAX-DOAS und eine größere Stadt wie Wien. Die Ergebnisse des Projektes werden wichtige Erkenntnisse zur horizontalen und vertikalen Ausbreitung von NO2 und Aerosolen liefern. Neben der Verbesserung der troposphärischen NO2 Auswertung werden die Ergebnisse wichtige Daten für Atmosphärenmodelle bereitstellen, da die Vertikalprofile von NO2 und Aerosolen eine nützliche Ergänzung zu den Punktmessungen von in-situ Messgeräten darstellen.

Satellitenbasierte Messungen von troposphärischem Stickstoffdioxid (NO2) sind eine wichtige Informationsquelle für die Abschätzung der Umweltbelastung durch Stickstoffoxid-Emissionen sowie für die Bewertung des Einflusses der Luftverschmutzung auf die menschliche Gesundheit. Hinsichtlich der Genauigkeit von Satellitenmessungen des troposphärischen NO2 besteht noch großer Forschungsbedarf, etwa durch die Validierung dieser Daten mit unabhängigen Messungen. Eine mögliche Datenquelle sind bodengestützten MAX-DOAS (Multi AXiale Differenzielle Optische Absorptionsspektroskopie) Messungen wie sie in diesem Projekt durchgeführt wurden. Zudem müssen bestehende Unsicherheiten bei der Umwandlung von troposphärischen NO2 Vertikalsäulen in bodennahe NO2 Konzentrationen, die für Expositionsstudien von großem Interesse sind, durch neuartige Ansätze reduziert werden. Ein wesentliches Ziel des VINDOBONA Projekts war es, ein repräsentatives Bild der räumlichen Verteilung der Luftverschmutzung in Wien zu erstellen. Dazu wurden bodengebunde MAX-DOAS Messungen an drei Standorten und in verschiedenen Azimutrichtungen durchgeführt und ausgewertet. Durch den Vergleich der über die horizontalen Säulen integrierten NO2 Konzentrationen aus den verschiedenen MAX-DOAS Azimutrichtungen untereinander, sowie durch einen Vergleich dieser Messungen mit bodennahen NO2 Konzentrationen aus lokalen Luftgütemessstellen, konnten interessante Einblicke in die räumliche Verteilung von NO2 in Wien gewonnen werden. In einer weiteren Fallstudie, bei der horizontale DOAS Messungen vom rotierenden Donauturm Café aus durchgeführt wurden, konnte eine noch höhere räumliche Variabilität von NO2 innerhalb der Stadt nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer Verfeinerung der Anordnung von bodenbasierter MAX-DOAS und Satellitenpixeln für zukünftige Validierungsstudien. An mehreren Tagen wurden in Wien auch Auto DOAS Messungen von NO2 durchgeführt und zusammen mit bodennahen NO2 Konzentrationen und meteorologischen Daten ausgewertet. Aus diesen Messungen konnte eine Methode zur empirischen Umwandlung der troposphärischen NO2 Vertikalsäulen in die bodennahe NO2 Konzentrationen entlang der Strecke abgeleitet werden. Diese neuartige Methode hat mögliche Anwendung in der Umwandlung von MAX-DOAS und satellitenbasierte troposphärische NO2 Vertikalsäulen in bodennahe NO2 Konzentrationen. MAX-DOAS Messungen unter ausgewählten Elevationswinkeln und in unterschiedlichen Azimutrichtungen wurden auch dazu verwendet, räumliche und zeitliche Muster von Aerosol Vertikalprofilen zu untersuchen. Dabei kam der BOREAS (Bremen Optimal estimation REtrieval for Aerosols and trace gaseS) Algorithmus zum Einsatz. Es zeigte sich, dass über dem urbanen Gebiet von Wien erhebliche Unterschiede in der Aerosolbelastung auftreten können, sowohl in der räumlichen, als auch in der zeitlichen Dimension. Diese Ergebnisse haben mögliche Auswirkungen auf die Ableitung von troposphärischen NO2 Vertikalsäulen aus Satellitendaten, da deren a priori Informationen über Aerosole sowie der Form des Vertikalprofils üblicherweise auf monatlichen Klimatologien beruht. Letztlich wurde im Rahmen des VINDOBONA Projekts eine völlig neuartige Methode zur Ableitung der räumlichen Verteilung von NO2 über dem Stadtgebiet von Wien entwickelt. Dafür werden horizontale MAX-DOAS Messungen aus den vielen Azimutrichtungen der drei Instrumente herangezogen. Erstmals konnte damit ein auf MAX-DOAS Messungen basierendes zweidimensionales Bild von NO2 über dem urbanen Raum von Wien erzeugt werden - ein weiteres nützliches Hilfsmittel für zukünftige Satellitenvalidierung sowie humane Expositionsstudien.