Ein diesiger Himmel kann viele Ursachen haben. Feine Partikel können sich während einer Phase mit schwachem Luftaustausch angesammelt haben. Rauch von Wald- und Vegetationsbränden kann Hunderte oder sogar Tausende Kilometer zurückgelegt haben. Aus der Sahara aufgewirbelter Staub kann das Mittelmeer überqueren und weite Teile Europas erreichen. An heißen, sonnigen Tagen können die bodennahen Ozonkonzentrationen ansteigen, obwohl Ozon dort nicht direkt emittiert wird.
All diesen Situationen ist eines gemeinsam: Die Stoffe, die sich in der Luft befinden, stehen in engem Zusammenhang mit dem Zustand der Atmosphäre.
Sobald Schadstoffe in die Atmosphäre gelangen, hängt ihr weiteres Verhalten stark vom Wetter ab. Sie können weit von ihrer Quelle wegtransportiert werden, in Bodennähe eingeschlossen bleiben oder sich großräumiger verteilen. Regen kann bestimmte Partikel aus der Luft auswaschen, während Sonnenlicht und Temperatur chemische Reaktionen auslösen können, durch die aus bereits vorhandenen Stoffen neue Schadstoffe entstehen.
Die Vorhersage der Luftqualität umfasst daher weit mehr als die Vorhersage des Wetters. Modelle müssen auch beschreiben, welche Stoffe sich in der Atmosphäre befinden, woher sie stammen, wie sie chemisch reagieren und wohin sie durch die atmosphärische Zirkulation transportiert werden.
Von der Wettervorhersage zur atmosphärischen Zusammensetzung
Numerische Wettervorhersagemodelle simulieren, wie sich die Atmosphäre entwickelt. Luftqualitätsmodelle gehen noch einen Schritt weiter und bilden auch Gase, Aerosole und die Prozesse ab, die sie beeinflussen.
Die von meteoblue visualisierten Luftqualitätsvorhersagen basieren auf Daten des Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), der atmosphärische Beobachtungen und Modellierungen kombiniert, um Schadstoffe, Aerosole und andere Bestandteile der Atmosphäre vorherzusagen. Ensemble-Modellierung wird ebenfalls eingesetzt, um Unterschiede zwischen einzelnen Vorhersagen zu berücksichtigen und einen Hinweis auf die Vorhersageunsicherheit zu geben.
Luftqualitätsmodelle berücksichtigen Emissionen, Transport, chemische Reaktionen, Ausbreitung sowie Prozesse, durch die Schadstoffe aus der Atmosphäre entfernt werden. Vereinfacht gesagt müssen sie zwei Fragen beantworten: Was befindet sich in der Atmosphäre und was wird als Nächstes damit geschehen?
Woher kommt die Luftverschmutzung?
Einige Schadstoffe gelangen direkt in die Atmosphäre. Straßenverkehr, industrielle Prozesse, Energieerzeugung und das Heizen von Gebäuden setzen Gase und Partikel frei. Wald- und Vegetationsbrände bringen Rauch und große Mengen an Feinstaub in die Atmosphäre. Wind kann Mineralstaub von trockenen Oberflächen aufwirbeln und ihn teilweise über ganze Kontinente hinweg transportieren.
Auch natürliche Prozesse tragen dazu bei. Pflanzen setzen organische Verbindungen frei, Vulkane emittieren Gase und Partikel, Gischt erzeugt Aerosole und Pflanzen geben während ihrer Blütezeit enorme Mengen an Pollen ab.
Andere Schadstoffe haben einen komplexeren Ursprung, da sie erst nach der Emission in der Atmosphäre entstehen.
Bodennahes Ozon ist dafür ein gutes Beispiel. Anders als Schadstoffe, die direkt aus einem Auspuff oder Schornstein freigesetzt werden, entsteht Ozon in Bodennähe durch photochemische Reaktionen. Daran beteiligt sind Vorläufersubstanzen wie Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen. Dies ist einer der Gründe, warum erhöhte Ozonbelastungen häufig mit warmem und sonnigem Wetter verbunden sind. Die Ozonkarte von meteoblue zeigt die Konzentrationen in Bodennähe. Dieses troposphärische Ozon darf nicht mit der stratosphärischen Ozonschicht verwechselt werden, die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt.
Auch Feinstaub kann sehr unterschiedliche Ursprünge haben. PM10 und PM2.5 bezeichnen Partikelgrößenklassen und keine einzelnen chemischen Stoffe. Dazu können Rauch, Ruß, Mineralstaub, Salze und weitere Materialien gehören. Zusätzliche Partikel können außerdem durch chemische Reaktionen innerhalb der Atmosphäre entstehen.
Diese Mischung aus direkten Emissionen, natürlichen Quellen und atmosphärischer Chemie ist einer der Gründe, weshalb die Vorhersage der Luftqualität eine so komplexe Modellierungsaufgabe darstellt.
Das Wetter bestimmt, was als Nächstes geschieht
Zu wissen, wie viele Schadstoffe freigesetzt wurden, reicht nicht aus. Dieselben Emissionen können je nach Wetterlage zu völlig unterschiedlichen Luftqualitätsbedingungen führen.
Betrachten wir beispielsweise zwei ansonsten vergleichbare Tage in einer Großstadt.
Am ersten Tag weht nur schwacher Wind und die Atmosphäre in Bodennähe ist stabil geschichtet. Der vertikale Luftaustausch ist gering, sodass sich Schadstoffe nahe am Boden ansammeln können. Halten diese Bedingungen an, können die Konzentrationen weiter steigen – selbst wenn die Emissionen nicht wesentlich zunehmen.
An einem anderen Tag können stärkere Winde und eine höhere Mischungsschicht dieselbe Schadstoffmenge auf ein wesentlich größeres Luftvolumen verteilen. Zieht anschließend eine Front mit Niederschlag durch, können bestimmte Partikel und lösliche Stoffe aus der Atmosphäre ausgewaschen werden.
Ebenso wichtig ist die Windrichtung. Schlechte Luftqualität an einem bestimmten Ort bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Schadstoffe auch dort entstanden sind. Rauch, Staub und andere Luftschadstoffe können über Landesgrenzen hinweg und über sehr große Entfernungen transportiert werden.
Wüstenstaub ist eines der anschaulichsten Beispiele dafür. Über der Sahara aufgewirbelte Mineralpartikel können bei entsprechender atmosphärischer Strömung nach Norden über das Mittelmeer gelangen. Bei ausreichend hohen Konzentrationen kann der Wüstenstaub sogar als Schleier am Himmel sichtbar werden.
Rauch von Wald- und Vegetationsbränden verhält sich ähnlich. Abhängig von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und der Höhe, in der der Rauch in die Atmosphäre gelangt, kann ein Brand die Luftqualität weit entfernt vom eigentlichen Brandgebiet beeinflussen.
Deshalb sind Luftqualitätskarten besonders aussagekräftig, wenn sie gemeinsam mit Wetterkarten betrachtet werden. Eine Fahne erhöhter Feinstaubkonzentrationen zeigt, wo die Belastung hoch ist. Windfelder und die großräumige synoptische Wetterlage können dagegen helfen zu erklären, woher diese Luftmasse stammt und wohin sie als Nächstes transportiert werden könnte.
Ausgangspunkt einer Vorhersage: Was befindet sich jetzt in der Atmosphäre?
Um die Luftqualität von morgen vorherzusagen, benötigt ein Modell zunächst eine möglichst genaue Abschätzung des heutigen Zustands der Atmosphäre. Dies geschieht mithilfe der sogenannten Datenassimilation.
Ähnlich wie bei der numerischen Wettervorhersage werden Beobachtungen mit Modellinformationen kombiniert, um ein möglichst realistisches Bild des aktuellen Zustands der Atmosphäre zu erhalten. Die Beobachtungsdaten können sowohl von bodengebundenen Messstationen als auch von Satelliten stammen und Informationen über Gase und Aerosole auf unterschiedlichen räumlichen Skalen liefern.
Messstationen liefern direkte Messungen an bestimmten Standorten, während Satelliten eine wesentlich größere räumliche Abdeckung ermöglichen. Vorhersagesysteme kombinieren diese Beobachtungen mit Atmosphärenmodellen, um die aktuelle Verteilung von Schadstoffen abzuschätzen und vorherzusagen, wie sich ihre Konzentrationen in den kommenden Stunden und Tagen verändern und verlagern könnten.
Eine Vorhersage – viele Variablen
Es gibt keine einzelne Mess- oder Modellgröße, die die Luftqualität vollständig beschreibt. Unterschiedliche Karten beantworten unterschiedliche Fragen.
Der Common Air Quality Index (CAQI) bietet einen vereinfachten Überblick. Statt die Konzentration eines einzelnen Stoffes darzustellen, fasst er mehrere wichtige Schadstoffe in einem Index zusammen, der die allgemeine Hintergrund-Luftqualität beschreibt. meteoblue verwendet den Background CAQI, da atmosphärische Modelle die sehr kleinräumigen Unterschiede unmittelbar entlang einzelner Straßen nicht abbilden können.
Um eine bestimmte Situation genauer zu untersuchen, ist es jedoch häufig wesentlich aussagekräftiger, die einzelnen Komponenten zu betrachten.
PM10 und PM2.5 zeigen die Konzentration von Feinstaubpartikeln. PM10 bezeichnet Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern, während PM2.5 die feinere Fraktion mit einem Durchmesser von höchstens 2,5 Mikrometern beschreibt. Die Quellen reichen von Verbrennungsprozessen und Rauch aus Wald- und Vegetationsbränden bis hin zu Staub sowie Partikeln, die durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre entstehen.
Stickstoffdioxid (NO₂) steht in engem Zusammenhang mit Verbrennungsprozessen. In Städten ist der Straßenverkehr eine wichtige Quelle. NO₂ stammt jedoch auch aus natürlichen Quellen und ist an atmosphärisch-chemischen Prozessen beteiligt, die zur Bildung von Ozon führen.
Schwefeldioxid (SO₂) entsteht insbesondere bei der Verbrennung und Verarbeitung schwefelhaltiger Brennstoffe und Materialien. In der Atmosphäre können Schwefelverbindungen weitere chemische Reaktionen durchlaufen und dadurch zur Partikelbelastung sowie zur sauren Deposition beitragen.
Kohlenmonoxid (CO) entsteht bei unvollständiger Verbrennung und kann daher unter anderem mit Bränden und der Verbrennung fossiler Energieträger in Verbindung stehen. CO ist außerdem an der Atmosphärenchemie beteiligt und beeinflusst indirekt die Konzentrationen anderer Gase, darunter Ozon und Methan.
Bei Ozon (O₃) ist die Situation anders: Erhöhte Konzentrationen in Bodennähe können durch photochemische Reaktionen entstehen und nicht durch direkte Emissionen. Temperatur, Sonneneinstrahlung, Vorläuferschadstoffe und die atmosphärische Zirkulation beeinflussen sowohl seine Entstehung als auch seinen Transport.
Wüstenstaub stellt eine weitere spezifische Aerosolquelle dar. Da Staub über sehr große Entfernungen transportiert werden kann, kann die Betrachtung seiner Vorhersage in unterschiedlichen Höhen dabei helfen, die dreidimensionale Struktur eines Staubereignisses zu erkennen.
Die Aerosol Optical Depth (AOD), auf Deutsch meist Aerosol-optische Dicke, beschreibt etwas anderes als die bodennahe PM2.5- oder PM10-Konzentration. Die AOD gibt an, wie stark Aerosole die Lichtdurchlässigkeit durch die gesamte atmosphärische Luftsäule verringern. Hohe AOD-Werte können beispielsweise mit Rauch von Wald- und Vegetationsbränden, Wüstenstaub oder anthropogener Luftverschmutzung verbunden sein. Sie eignet sich deshalb gut, um großräumige Aerosolfahnen zu erkennen. Sie sollte jedoch nicht als direkte Angabe dessen interpretiert werden, was Menschen in Bodennähe einatmen.
Atmosphärische Vorhersagen beschränken sich nicht auf Luftschadstoffe. Auch Pollen werden durch die Atmosphäre transportiert. Die meteoblue Wetterkarten enthalten unter anderem Ebenen für Gräser-, Ambrosia-, Birken- und Olivenpollen. Pollen können mit Luftströmungen beträchtliche Entfernungen zurücklegen, während Niederschlag sie aus der Luft entfernen kann. Gewitter können die Situation zusätzlich verkomplizieren, da starke Winde zunächst zu einer erhöhten Pollenkonzentration in der Luft führen können.
Zusammengenommen zeigen diese verschiedenen Ebenen, was sich in der Luft befindet, woher es möglicherweise stammt und wie die Wetterbedingungen seinen Transport beeinflussen.
Warum die lokale Luftqualität besonders schwer vorherzusagen ist
Die Luftverschmutzung kann sich bereits über sehr kurze Entfernungen erheblich unterscheiden. Eine Messstation direkt an einer stark befahrenen Straße kann beispielsweise wesentlich höhere NO₂-Konzentrationen erfassen als eine andere Station, die nur wenige Kilometer entfernt in einem Park steht. Straßenverlauf, Gebäudehöhe, Verkehrsaufkommen, industrielle Quellen und lokale Windverhältnisse können alle zu diesen Unterschieden beitragen.
Regionale Atmosphärenmodelle können nicht jeden dieser kleinräumigen Effekte darstellen. Sie können eine Luftverschmutzungsepisode über eine größere Region hinweg gut erfassen, während die tatsächlichen Bedingungen unmittelbar an einer stark befahrenen Straße, einem Industriestandort oder einer anderen lokalen Emissionsquelle von den modellierten Werten abweichen können.
Wettermodelle stehen vor einem ähnlichen Problem. Eine höhere räumliche Auflösung ermöglicht zwar mehr lokale Details, doch Prozesse, die auf kleineren Skalen als dem Modellgitter stattfinden, können nicht immer direkt dargestellt werden.
Warum werden Ensembles für Luftqualitätsvorhersagen verwendet?
Luftqualitätsvorhersagen sind mit verschiedenen Unsicherheiten verbunden. Emissionen können sich verändern, Wettervorhersagen sind nicht perfekt und unterschiedliche Modelle stellen Transportprozesse, Aerosole und Atmosphärenchemie auf unterschiedliche Weise dar.
Ein Ensemble aus mehreren Modellen hilft dabei, diese Unterschiede zu berücksichtigen. Statt sich ausschließlich auf eine einzelne Vorhersage zu verlassen, können die Ergebnisse mehrerer Modelle miteinander verglichen oder kombiniert werden. Die Streuung zwischen den einzelnen Modellergebnissen liefert gleichzeitig einen Hinweis darauf, wie groß die Unsicherheit der Vorhersage ist.
Wie bei der Wettervorhersage gibt es auch hier kein einzelnes Modell, das für jeden Schadstoff, jeden Standort und jede atmosphärische Situation grundsätzlich die besten Ergebnisse liefert. Wenn Modelle voneinander abweichen, ist diese Abweichung deshalb selbst eine wertvolle Information: Sie gibt einen Hinweis darauf, wie hoch unser Vertrauen in die jeweilige Vorhersage sein kann.
Die Atmosphäre als Gesamtsystem verstehen
Der vielleicht interessanteste Aspekt der Luftqualitätsvorhersage besteht darin, dass keine dieser Größen isoliert betrachtet werden sollte.
Eine erhöhte PM2.5-Vorhersage wird aussagekräftiger, wenn gleichzeitig die Windrichtung betrachtet wird. Ein großräumiges Aerosolsignal kann zusammen mit der Wüstenstaubvorhersage untersucht werden, um festzustellen, ob Mineralpartikel eine Rolle spielen könnten. Ozonkonzentrationen lassen sich gemeinsam mit Temperatur, Sonneneinstrahlung und atmosphärischer Zirkulation betrachten. Pollenvorhersagen wiederum können mit Wind- und Niederschlagsprognosen verglichen werden.
Die Atmosphäre verbindet kontinuierlich Prozesse, die auf völlig unterschiedlichen räumlichen Skalen stattfinden – von Emissionen entlang einer einzelnen Stadtstraße über Staubstürme in Nordafrika bis hin zu Wald- und Vegetationsbränden, die Hunderte oder Tausende Kilometer entfernt auftreten.
Moderne Atmosphärenmodelle versuchen, all diese Komponenten miteinander zu verbinden. Sie kombinieren Meteorologie, Emissionen, Chemie, Transportprozesse und Beobachtungsdaten, um vorherzusagen, welche Stoffe sich in den kommenden Stunden und Tagen in der Luft um uns herum befinden könnten.
Wer das Thema weiter erkunden oder eigene Beobachtungen teilen möchte, findet im meteoblue Community Forum weitere Diskussionen mit Experten und Mitgliedern der Community.
