Luftverschmutzungen genauestens auf der Spur

Luftverschmutzung zählt zu den größten Gesundheitsgefahren weltweit. So sterben jährlich rund sieben Millionen Menschen durch Schadstoffbelastung, wie die Weltgesundheitsorganisation WHO in einer weltweiten Studie aktuell ermittelt hat. Industrieabgase und Schadstoffausstöße von Autos und anderen Verkehrsmitteln tragen zu den Todesfällen erheblich bei, da die Schmutzpartikel tief in Atemwege, Lungen und das Herz-Kreislaufsystem eindringen. Zur genauen Lokalisierung von Schadstoffquellen und zur Analyse der globalen Schadstoffverteilung gibt es nun einen besonderen Dienst aus dem All.

Der europäische Erdbeobachtungssatellit „Sentinel-5 Precursor“ liefert täglich globale Messungen von Ozon, Stickstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Aerosol- und Wolkeneigenschaften. Die Daten des Messinstruments TROPOMI sind ab sofort frei zugänglich. Entscheidungsträger, Umweltbehörden und Wissenschaftler sind auf die hochgenauen Produkte angewiesen, um die globalen Herausforderungen Luftverschmutzung und Klimawandel besser verstehen und bekämpfen zu können. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist für das Nutzlastbodensegment der Sentinel-5P-Mission und gemeinsam mit dem Königlichen Niederländischen Meteorologischen Institut (KNMI) für die Auswertung der Satellitendaten verantwortlich.

Bessere Vorhersage von Vulkan-Aschewolken

In den kommenden Monaten wird der Sentinel-5P-Service laufend erweitert werden, mit globalen Analyseprodukten von Schwefeldioxid, Formaldehyd, troposphärischem Ozon, Ozonprofilen, Methan und Aerosolhöhen. Diese Informationen dienen nicht nur der Atmosphären- und Klimaforschung oder Gesundheitsvorsorge, sondern werden unter anderem auch in der Flugverkehrssicherheit zur besseren Vorhersage von Vulkan-Aschewolken genutzt.

So erfasste der Wächtersatellit am 26. Juni 2018, kurz vor Ende seiner Testphase, zeitnah den Ausbruch des Sierra Negra Vulkans auf den Galapagosinseln. Genau zum Zeitpunkt des Ausbruchs, gegen 20:12 Uhr Ortszeit, konnte Sentinel-5P extrem hohe Schwefeldioxid-Konzentrationen über dem Vulkan nachweisen und die Ausbreitung der Gaswolke sehr genau verorten.

Komplexe Verarbeitung, unerreichte Qualität

Das multispektrometrisch arbeitende Messinstrument TROPOMI (Tropospheric Monitoring Instrument) mit seiner räumlichen Auflösung von 3,5 Kilometer mal 7 Kilometer übertrifft vergleichbare Satelliten um das Hundertfache. So können erstmals Luftverschmutzungen von einzelnen Städten und Stadtgebieten aus dem All detektiert werden. Der Satellit umkreist die Erde 14 Mal pro Tag mit sich ergänzenden Orbits. Maximal drei Stunden nach der Messung stehen die einzelnen Datenprodukte bereits zur Verfügung, ob Ozonwerte oder Schwefeldioxid-Konzentration.

Der nahe-Echtzeit Service ist technisch anspruchsvoll aber für die Nutzer wichtig, da Veränderungsprozesse in der Atmosphäre oft sehr schnell ablaufen. Insgesamt liefert Sentinel-5P damit täglich einen vollständigen globalen Datensatz zur Zusammensetzung der Atmosphäre. Die komplexen technischen Prozesse, die notwendig sind, um insgesamt zwölf Endprodukte mit einem täglichen Datenvolumen von bis zu zwei Terrabyte bereitzustellen, machen die Sentinel-5P-Mission einzigartig.

Die TROPOMI-Messwerte durchlaufen dafür eine hochkomplexe Verarbeitungskette: Die rohen Spektraldaten werden von Bodenstationen in der Arktis empfangen und zum DLR über breitbandige globale Glasfaserverbindungen übertragen. Dort werden sie analysiert, gefiltert, zu einzelnen Datenprodukten aufbereitet und automatisch auf einem Webserver bereitgestellt.

Entwickelt wurde das Prozessierungssystem vom DLR Earth Observation Center (EOC) und dem KNMI. Das DLR betreibt die Prozessoren und sorgt für den reibungslosen Ablauf der komplexen Arbeitsschritte. So werden neben den TROPOMI-Daten auch Satellitendaten von internationalen Partnerorganisationen integriert, die am EOC in Oberpfaffenhofen laufend empfangen werden. Die Fernerkundungsexperten stellen dadurch sicher, dass die Auswertungen global hochgenau und auf dem neuesten Stand sind.

Offener Webservice und sicherer Datenverkehr

Die verschiedenen Sentinel-5P-Produkte werden über den Copernicus Open Access Hub „, ein offenes Datenportal der ESA bereitgestellt. Besondere Anwender, etwa das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), werden vom EOC zusätzlich über einen eigenen Datenzugang versorgt, um die unmittelbare Datenversorgung zu gewährleisten. Darüber hinaus bietet das DLR über den EOC-Geoservice eigene, ergänzende Sentinel-5P-Produkte an. Dieser offene Webservice ermöglicht es Nutzern, die Daten für ausgewählte Regionen in verschiedenen Projektionen und Dateiformaten anzusehen, herunterzuladen oder direkt in ihre eigenen Systeme zu integrieren.

Damit die Atmosphärendaten auch in Zukunft jederzeit genutzt werden können, ist das Datenmanagement entscheidend. Für Sentinel-5P – wie auch für weitere Missionen des europäischen Copernicus-Programms – übernimmt das EOC als Service die Langzeit-Archivierung der Daten. Im Kontext dieser neuen Herausforderungen erweiterte die DLR-Einrichtung erst kürzlich die Kapazität seiner Datenbibliothek um 60 Petabyte.

Globale Kommunikationsnetze

Der TROPOMI-Datenempfang wird durch ein Konsortium bestehend aus dem DLR, dem norwegischen Unternehmen KSAT sowie dem schwedischen Unternehmen SSC realisiert. Das Konsortium nutzt dabei die polnahen Bodenstationen Svalbard in Norwegen und Inuvik in Kanada. Auf dem Gelände der Inuvik Satellite Station Facility (ISSF) der kanadischen Erdbeobachtungsbehörde CCMEO betreibt das DLR in diesem Zusammenhang eine eigene Empfangsanlage. Einen nicht zu unterschätzenden Beitrag zur Erfüllung der Nahe-Echtzeitanforderungen leisten die globalen Kommunikationsnetze für Wissenschaft und Forschung Cybera, CANARIE, Uninett, NORDUnet, GÉANT und X-WiN, die das Rückgrat der Datenübertragung bilden. (ig)