Pionierprojekt zur Erkennung von Pollen, Staub und Rauch

Seit Anfang dieses Jahres sind an der Wetterstation von MeteoSchweiz in Payerne im Kanton Waadt mehrere Instrumente im Einsatz, um ein breites Spektrum von Aerosolen zu erfassen. Dieses Pionierprojekt – eine gemeinsame Initiative der EPFL, des Bundesamtes für Meteorologie und Klimatologie und europäischer Partner – hat zum Ziel, die Pollenflugvorhersage zu verbessern und weitere Erkenntnisse über den entscheidenden Einfluss von Bioaerosolen, Rauch und Staub auf die Wolkenbildung und das Klima zu gewinnen.

Sandrine Perroud 12.07.2023

Wer unter Heuschnupfen leidet, kennt die Pollenflugkarten des Bundesamtes für Meteorologie und Klimatologie (MeteoSchweiz) mit ihren roten und gelben Farbtönen. Diese Vorhersagen spielen eine wichtige Rolle bei der Ausrichtung von Massnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit, insbesondere nachdem die Schweiz in diesem Frühjahr rekordverdächtige Pollenwerte verzeichnete. Um detailliertere und genauere Vorhersagen treffen zu können, wurden Anfang dieses Jahres verschiedene neue Instrumente in der Oberluftstation Payerne installiert. Dies ist das erste Mal, dass solche Instrumente gleichzeitig eingesetzt werden.

Die Forschungsarbeiten werden gemeinsam von MeteoSchweiz, der EPFL, der Nationalen Technischen Universität Athen (NTUA) und der Stiftung für Forschung und Technologie - Hellas (FORTH) durchgeführt und vom Schweizerischen Nationalfonds und dem renommierten Europäischen Forschungsrat im Rahmen des EU-Programms Pyrogenic TRansformations Affecting Climate and Health (PyroTRACH) finanziert. Im Rahmen dieses Projekts werden nicht nur – auch dank der Pionierarbeit der Forschenden bei der Fernerkundung mit Vertikallasern – mehr Pollenarten als in bisherigen Studien erfasst, sondern auch andere Ursachen von Allergien und oxidativem Stress wie Pilzsporen, Bakterien, Staub und Waldbrandrauch sowie Methoden zur Verbesserung von Pollenvorhersagen und Wolkenbildung untersucht.

Professor Papagiannis, links, und Professor Nenes, rechts, im atmosphärische Containerlabor der EPFL. © Armand Goy / 2023 EPFL

LiDAR-System für 3D-Messungen

Im Mai dieses Jahres wurde im atmosphärischen Containerlabor der EPFL, das sich in der Nähe des Eingangs zum Hauptgebäude von MeteoSchweiz befindet, ein LiDAR-System eingerichtet. Das LiDAR-System besteht aus einem UV-gepulsten Laser, der mit einem Empfängerteleskop und elektro-optischen Instrumenten gekoppelt ist. Zusammen erfassen diese Technologien das von den Partikeln reflektierte Licht in Echtzeit. Und nachts nehmen sie das «Leuchten» auf, das der Laser beim Auftreffen auf die Partikel erzeugt. Das daraus resultierende Farbspektrum dient als einzigartiger «digitaler Fingerabdruck», der das Vorhandensein von Pollen, Pilzsporen und Bakterien in der Luft sowie von Rauchpartikeln und Staub durch Fluoreszenzdetektion anzeigt. Derzeit sind weltweit nur vier Geräte dieser Art in Betrieb, und alle sind noch sehr experimentell; dieses neue Gerät ist das fortschrittlichste, was seine Kapazität angeht.

Das LiDAR in Aktion. © LAPI / 2023 EPFL

Die LiDAR-Signale werden alle 7 Minuten mit einer räumlichen Auflösung von 3,5 Metern und einer spektralen Auflösung von 6 Nanometern erfasst, und das Instrument hat eine Reichweite von 2 bis 3 Kilometern in der Höhe, die bis in die freie Troposphäre reicht. Und das ist noch nicht alles: Das neue LiDAR-System verfügt auch über einen erweiterten Spektralfilter, so dass es zwischen biogenen (von lebenden Organismen erzeugten) Partikeln und Partikeln anderer Herkunft unterscheiden kann, die sich zwischen dem Boden und 4 bis 5 Kilometern in der Luft befinden. Es hat eine zeitliche Auflösung von 3 bis 5 Minuten und kann 3D-Messungen vornehmen, im Gegensatz zu bestehenden Instrumenten, die nur 2D-Messungen in Bodennähe vornehmen können.

Dieses bahnbrechende System wurde von Prof. Alexandros Papagiannis entwickelt, der über vier Jahrzehnte Forschungserfahrung in diesem Bereich verfügt. Papagiannis, der formell mit der NTUA verbunden ist, ist auch Gastprofessor am Laboratory of Atmospheric Processes and their Impacts (LAPI) der EPFL, das von Prof. Athanasios Nenes geleitet wird. Die beiden Professoren erhielten von der EPFL ein Stipendium für ein Forschungsinstrument und nutzten den Erlös – zusammen mit Mitteln des LAPI, des Schweizerischen Nationalfonds und von PyroTRACH – zur Anschaffung der Basiskomponenten ihres LiDAR-Systems und zur Finanzierung der Kampagne. In Anspielung auf ihre griechischen Wurzeln nannten sie ihr Projekt PERICLES, kurz für «PayernE lidaR and Insitu detection of fluorescent biomass burning, bioaerosol and dust partiCLES and their cloud impacts».

Die Messinstrumente von Doktorandin Sophie Erb. © Armand Goy / 2023 EPFL

Maschinelles Lernen und Aerosolanalyse

Auf dem Dach der Wetterstation von Payerne befinden sich zahlreiche weitere Instrumente. Sie werden von Sophie Erb, einer Doktorandin von MeteoSchweiz und des Labors für Umweltfernerkundung der EPFL, und Kunfeng Gao, einem Postdoc am LAPI, überwacht. Erb überwacht eine Kamera, die bis zu zehn Mal pro Sekunde Fotos von Pollenkörnern und Pilzsporen aufnimmt. Nach der Verarbeitung werden die 3D-Bilder in eine Maschine eingespeist, die darauf trainiert ist, die Art des Organismus zu identifizieren, von dem die Partikel stammen, und so zur Verbesserung der Pollenvorhersagekarten beiträgt.

Gao misst unterdessen die Konzentrationen und Grössen verschiedener Aerosole, die in einem kleinen Gefäss mit fliessendem Wasser, einem so genannten «nassen Zyklon», gefangen sind. Diese Auffangmethode ist einem Filter vorzuziehen, da sie Staub und andere unlösliche Partikel auffangen kann, ohne empfindliche biologische Partikel wie Bakterien zu zerstören. Die Partikel werden dann eingefroren, damit die Forschenden ihre chemische und genomische Zusammensetzung analysieren und feststellen können, wie sich die Partikel auf die menschliche Gesundheit auswirken. Diese Informationen werfen auch ein wichtiges Licht auf den Prozess der Eisbildung in Wolken – und damit auf den Niederschlag. Die Probenahme für PERICLES erfolgt in Zusammenarbeit mit Kalliopi Violaki, einer Wissenschaftlerin des LAPI, die auf analytische Chemie, Atmosphärenchemie und Bioaerosole spezialisiert ist.

Sophie Erb mit der alten Pollenvorhersagemethode, die jetzt abgebaut wird. Damals musste man zwischen der Probenahme und der Kartenerstellung eine Woche warten. © Armand Goy / 2023 EPFL

Waldbrandrauch

Das neue LiDAR-System kann auch die Quelle der Partikel identifizieren und die Mengen in der Luft in Echtzeit messen. Im Mai und Juni beispielsweise registrierte das Instrument hohe Werte von Rauchpartikeln, die von den Waldbränden in Kanada und den Vereinigten Staaten stammten. Kürzlich war die Luft über der Schweiz mit den Rückständen der Waldbrände in Deutschland verstopft. «Die gesundheitlichen Auswirkungen dieser Aerosole werden bei weitem unterschätzt», sagt Nenes, der PERICLES leitet, «deshalb ist es so wichtig, der Sache auf den Grund zu gehen. Wir sind oft ahnungslos, was direkt über unseren Köpfen vor sich geht, vor allem, wenn es um Bioaerosole und Rauchpartikel geht.»

Nenes hofft, dass die Forschungsergebnisse des Forschungsteams eines Tages dabei helfen könnten, verbesserte Echtzeit-Karten zu entwickeln, um die Politik im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu unterstützen. Aber auch jetzt schon könnte das neue LiDAR-System die Vorhersagemöglichkeiten deutlich verbessern: «Wir haben bereits festgestellt, dass die aktuellen Vorhersagemodelle erheblich verbesserungsfähig sind», erklärt Papagiannis. «Die Pollenkonzentrationen ändern sich im Laufe eines einzigen Tages dramatisch, wobei die höchsten Konzentrationen tagsüber gemessen werden.»

Das atmosphärische Containerlabor der EPFL befindet sich in der Nähe des Eingangs zum Hauptgebäude von MeteoSchweiz. © Armand Goy / 2023 EPFL