In diesem Sommer, während der Rauch von Waldbränden weite Teile Nordamerikas bedeckt und der hitzebedingte Sommerdunst seinen saisonalen Höhepunkt erreicht, setzen die NASA und ihre Partner mehrere neue Instrumente ein, um die Luftqualität und -verschmutzung von der Straße bis zur Stratosphäre zu beobachten.
TEMPO, kurz für Tropospheric Emissions: Monitoring of Pollution, wurde Anfang des Frühlings in die Umlaufbahn gebracht und ist das erste Satelliteninstrument, das die Luftqualität über Nordamerika stündlich (bei Tageslicht) und mit einer Auflösung von einigen Quadratmeilen messen wird. Sein Sichtfeld erstreckt sich von Mexiko-Stadt bis Zentralkanada und vom Atlantischen Ozean bis zum Pazifik. Das neueste Atmosphärenchemie-Instrument der NASA wird bald damit beginnen, Daten für wissenschaftliche Zwecke zu übertragen.
In der Zwischenzeit wird eine separate NASA-Mission rund 22.000 Meilen tiefer die neuen Satellitenmessungen durch Beobachtungen der Luftqualität vor Ort ergänzen. Die Sommerkampagne 2023 umfasst eine Flotte von Flugzeugen, Labore auf Rädern, Wetterballons und Hunderte von Wissenschaftlern, die sich mobilisiert haben, um die Umweltverschmutzung in beispielloser Detailgenauigkeit zu verfolgen. Diese Mission, Synergistic TEMPO Air Quality Science (STAQS), untersucht die Luft, die wir in mehreren nordamerikanischen Bevölkerungszentren atmen: New York City, Chicago, Los Angeles und Toronto. Ziel ist es, Luftschadstoffe vom Boden bis in die obere Troposphäre zu kartieren, zu verfolgen, woher sie kommen und wie sie sich stündlich verändern, und Stadtteile zu identifizieren, die überproportional ungesunder Luft ausgesetzt sind.
„Es ist die Kombination von Satelliten-, Luft- und Bodendaten, die helfen wird, die grundlegende Frage zu beantworten: Was atmen wir?“ sagte Barry Lefer, Leiter des Troposphärenzusammensetzungsprogramms im NASA-Hauptquartier in Washington. „Wir können Ungleichheiten wie nie zuvor abbilden.“
Einer der wichtigsten Schadstoffe, die das STAQS-Team und TEMPO überwachen werden, ist Stickstoffdioxid (NO2), das häufig von Auspuffrohren und Schornsteinen ausgestoßen wird und ein wichtiger Bestandteil von bodennahem Ozon (Smog) ist. Die Missionen werden auch Feinstaub, flüchtige organische Verbindungen wie Formaldehyd sowie Methan und Kohlendioxid messen, die starke Treibhausgase sind, die Wärme in der Erdatmosphäre einschließen.
Das STAQS-Team agiert nicht alleine. NOAA leitet diesen Sommer die ergänzende AEROMMA-Feldkampagne zur Untersuchung der Luftverschmutzung, eine von mehreren von Regierung und Universität geleiteten Bemühungen. Mit Mitarbeitern von mehr als 20 Universitäten, mehreren regionalen Konsortien, Landes- und Kommunalverwaltungen sowie NOAA, NASA und anderen Bundesbehörden arbeiten Wissenschaftler zusammen, um „eine Luftqualitätsgemeinschaft von Küste zu Küste aufzubauen, die stärker ist als die Summe ihrer Mitglieder“. Teile“, sagte Lefer.
Die Luftqualität ist besser, aber nicht überall
„Verbesserte Luftqualität ist eine der großen Erfolgsgeschichten der letzten Jahrzehnte“, sagte Laura Judd, stellvertretende Programmmanagerin für Gesundheits- und Luftqualitätsanwendungen im Applied Sciences Program der NASA. Vorschriften haben zu einer erheblichen Reduzierung der schädlichen NO2-Emissionen geführt und Schwefeldioxid – eine Ursache für sauren Regen – so drastisch reduziert, dass letzterer mit Satelliteninstrumenten schwer zu erkennen ist.
„Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass Probleme mit schlechter Luftqualität immer lokaler werden“, sagte Judd.
In Chicago – einem Frachtdrehkreuz – wird das STAQS-Team beispielsweise Ozon überwachen, das sich entlang der Küste des Lake Michigan ansammelt, sowie hohe Mengen an Lkw-Abgasen, die sich auf die Nachbarschaft großer Lagerhäuser auswirken. Die Ermittlung solcher Diskrepanzen ist von entscheidender Bedeutung, denn wenn die lokale Luftverschmutzung die Bundesnormen überschreitet, können die Schadstoffe Lungenerkrankungen wie Asthma, Emphysem und chronische Bronchitis bei den in der Region lebenden und arbeitenden Menschen verschlimmern.
„Sind lokale Luftschadstoffe in der Nähe von Flughäfen konzentriert? Kommen sie von stillstehenden Fahrzeugen in der Nähe von Lagerhallen?“ sagte Judd, der die luftgestützte Komponente von STAQS leitet. „Die Menschen, die Entscheidungen zur Luftqualität treffen, die Auswirkungen auf die Gemeinschaft haben, benötigen möglichst genaue und präzise Informationen.“
Um dieses Maß an Präzision zu ermöglichen, setzt ihr Team zwei Forschungsflugzeuge ein, die mit Fernsensoren ausgestattet sind, darunter Spektrometer, die als Stellvertreter für das neue TEMPO-Instrument im Weltraum dienen. „TEMPO on a plane“ wird auf einem vom Johnson Space Center der NASA bereitgestellten Gulfstream-V-Flugzeug montiert und bis zu dreimal täglich über die Zielstädte geflogen, um Schadstoffe zu kartieren. Ziel ist es, besser zu verstehen, wie Faktoren wie Verkehrsmuster und Wetter die Luftqualität zu verschiedenen Tageszeiten beeinflussen. Es wird Wissenschaftlern auch dabei helfen, die frühen Daten auszuwerten, die vom „echten Objekt“ im Orbit über der Erde stammen.
„Es ist wichtig zu verstehen, wie sich die Luftqualität Stunde für Stunde, Meile für Meile verändert, denn jede Gemeinde hat eine einzigartige Geschichte zu erzählen“, sagte John Sullivan, der die bodengestützten Operationen für STAQS leitet und am Goddard Space Flight Center der NASA die Chemie der Atmosphäre untersucht. Während Flugzeuge über ihnen fliegen, werden Bodenunterstützungsteams Forschungsanhänger einsetzen, die mit modernsten Sensoren ausgestattet sind.
„Gemeinsam können wir eine 3D-Perspektive der Luftverschmutzung erhalten, die sich in verschiedenen Luftschichten bewegt und vermischt“, sagte Sullivan, Projektwissenschaftler des Tropospheric Ozone Lidar Network (TOLNet), einem leistungsstarken Lasernetzwerk zur Identifizierung und Lokalisierung von Schadstoffen. Während eines STAQS-Einsatzes in New York arbeiteten die Bodenteams beispielsweise zusammen, um innerhalb von 8 Stunden eine 1,5 Meilen (2,4 Kilometer) hohe Ozonfahne zu verfolgen, die sich windabwärts über den Long Island Sound und die Küste von Connecticut bewegte.
Fernerkundungsinstrumente wie TOLNet und Pandora – ein globales Netzwerk von Himmelsspektrometern, die viele der gleichen Spurengase wie TEMPO messen – werden während der STAQS-Kampagne regelmäßig im Einsatz sein und Beobachtungs-„Ankerpunkte“ für die Mission bereitstellen. Darüber hinaus werden viele der STAQS-Instrumente in Gebieten betrieben, in denen bereits Geräte zur Spurengasanalyse vorhanden sind, die von nationalen und lokalen Luftqualitätsbehörden verwaltet werden. Die Kombination von Messbemühungen und Werkzeugen wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, alle Beobachtungen zu vergleichen und zu ergänzen.
„Letztendlich werden die Supernutzer der STAQS-Ergebnisse und TEMPO-Daten die staatlichen und lokalen Luftqualitätsbehörden sein, die im Wesentlichen versuchen, Fragen zur öffentlichen Gesundheit und zum chemischen Transport von Luftschadstoffen zu beantworten“, sagte Sullivan. „Wir möchten ihnen Daten zur Verfügung stellen, die bei der Beantwortung dieser Fragen helfen können.“