Mit Satellitendaten Luftverschmutzung kartieren und die Gesundheit verbessern

Für Epidemiologen, die sich mit Luftverschmutzung befassen, gibt es am Boden nur wenig zu erforschen. Daher nutzen sie bereits die Aerosoldaten der NASA-Satelliten, um einen Zusammenhang zwischen lokaler Luftverschmutzung und gesundheitlichen Folgen herzustellen. Doch vor kurzem haben sich die NASA und Epidemiolog*innen zusammengetan, um die erste Mission der Weltraumbehörde zu starten, die sich auf die Gesundheit konzentriert.

Die NASA-Mission Multi-Angle Imager for Aerosols (MAIA), deren Start für 2022 geplant ist, wird das Fachwissen von Planetenwissenschaftler*innen und Epidemiolog*innen kombinieren, um eine Frage zu beantworten, die bisher in großem Maßstab kaum möglich war: Welche Art von Luftschadstoffpartikeln ist für die menschliche Gesundheit am schädlichsten?

Unter den verschiedenen Luftschadstoffen stellt Feinstaub (particulate matter, PM), insbesondere Partikel, die kleiner als 2,5 Mikrometer (PM2,5) sind, eines der größten Gesundheitsrisiken dar. Diese Partikel stammen hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und von Waldbränden. Sie variieren in ihrer Zusammensetzung, sind aber klein genug, um von der Lunge in den Blutkreislauf zu gelangen. Von dort aus können sie sich im gesamten Körper verteilen. Kurzfristig verschlimmern hohe PM2,5-Werte in der Luft Atemwegserkrankungen, während eine langfristige Belastung sogar zu einem vorzeitigen Tod durch Herz- und Lungenerkrankungen führen kann. Wissenschaftler*innen sagen voraus, dass der Klimawandel die PM2,5-Konzentrationen in einigen Regionen verschlimmern könnte, auch wenn die Konzentrationen dort abnehmen, wo Emissionsquellen reduziert werden. Aber selbst Belastungen, die unter dem von den Behörden als gefährlich eingestuften Wert liegen, sind mit gesundheitlichen Folgen verbunden, wie zum Beispiel einer erhöhten Sterblichkeit bei älteren Erwachsenen.

Um die Gesundheit effektiv zu schützen, müssen wir wissen, welche PM-Komponenten und -Quellen am schädlichsten sind. Da sich die Quellen von Feinstaub von Ort zu Ort unterscheiden, ist das ein Problem. „Wir können nicht von einer verkehrsbedingten Herz-Kreislauf-Erkrankung oder einem Zusammenhang mit Demenz in städtischen Gebieten auf ein ländliches Gebiet mit überwiegend Holzverbrennung verallgemeinern“, sagte Beate Ritz, MAIA-Mitarbeiterin und Epidemiologin und Umweltmedizinerin an der University of California, Los Angeles.

Es gibt auch die zusätzliche Herausforderung, dass Feinstaub nach Größe und nicht nach Art klassifiziert wird. „Es ist einfach, die Größe zu messen, aber nicht die Art“, sagt Patrick Kinney, Beverly Brown Professor of Urban Health an der Boston University. Im Vergleich zu Bodenüberwachungsmethoden, die Konzentrationen und Größen von Feinstaub aufzeichnen, sind teure Laboranalysen erforderlich, um die Partikeltypen auseinanderzuhalten. „Wir müssen wissen, was an den Partikeln am giftigsten ist“, sagte Ritz.

MAIA vorgestellt

In den letzten 20 Jahren haben Gesundheitsforscher*innen öffentlich zugängliche Daten des Multi-angle Imaging Spectroradiometer (MISR) der NASA genutzt, um Luftverschmutzung mit gesundheitlichen Folgen in Verbindung zu bringen. Aber „eine offene Frage ist, welche bestimmten Arten und Quellen von Partikeln am schädlichsten sind“, sagte David Diner, Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA und leitender Forscher von MISR und MAIA.

Die Daten von MAIA könnten diese Frage beantworten. An Bord eines kommerziellen Satelliten von General Atomics Electromagnetic Systems wird MAIA drei Jahre lang in einer erdnahen Umlaufbahn um den Globus kreisen und dabei jedes Zielgebiet dreimal pro Woche zur gleichen Ortszeit überfliegen. Um Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von PM2.5 zu ziehen, werden die Forschenden die optischen Eigenschaften der Partikel nutzen, die von MAIA gemessen werden: die Polarisation des Sonnenlichts, das von den Partikeln gestreut wird, und Bilder des Lichts unter verschiedenen Winkeln in 14 elektromagnetischen Wellenlängen, die von Ultraviolett bis zum kurzwelligen Infrarot reichen. Die Forscher werden die Feinstaub-Konzentration und -Zusammensetzung auf Stadtteilebene (eine Auflösung von einem Quadratkilometer) in den 12 wichtigsten Zielstädten in Nordamerika, Europa, Afrika und Asien kartieren. Atmosphärenchemische, räumliche und statistische Modelle werden die MAIA-Daten und Informationen von bodengestützten Messgeräten integrieren, um ein vollständiges Bild der bodennahen Konzentrationen von PM und Komponenten von PM2,5 in den Zielgebieten zu erhalten.

Kinney, Mitglied des unabhängigen wissenschaftlichen Aufsichtskomitees, aber nicht Teil des Projekts, ist begeistert vom Potenzial von MAIA. Aber er ist auch vorsichtig mit den satellitenbasierte Messungen: „Wir sollten immer noch vorsichtig sein, um zu verstehen, was die Satelliten messen“, sagte er. Wie andere satellitengestützte Instrumente misst MAIA nicht die Partikel selbst, sagt er, sondern wie sie mit dem Licht interagieren. (Am Boden verwenden die Wissenschaftler Filter, um die eigentlichen Partikel einzufangen).

Global gehen

Epidemiolog*innen wollen lernen, welche Partikel am giftigsten sind, indem sie Feinstaub-Daten und Gesundheitsdaten der Bevölkerung in jedem Zielgebiet miteinander verknüpfen. Sie werden die kurz- und langfristigen Auswirkungen der Feinstaubbelastung sowie negative Auswirkungen auf die Geburt und Herz-Kreislauf-Erkrankungen untersuchen, die eng mit der Luftverschmutzung verbunden sind.

Die Daten, sagen die Wissenschaftler*innen, sind skalierbar. „Es gibt viele Teile der Welt, insbesondere in Ländern mit niedrigem oder mittlerem Einkommen, in denen es keine oder nur eine sehr spärliche bodennahe Überwachung gibt“, sagt Ritz. „Wir können diese Studien zum Gesundheitszustand in Ländern durchführen, die keine elektronischen Krankenakten haben. Wenn wir Daten über [Geburten] und Sterblichkeit in Bezug auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhalten können, reicht das aus, um zu zeigen, dass die Luftverschmutzung einen Einfluss auf diese Ergebnisse hat.“

Letztendlich werden die umfassenden, hochauflösenden Daten von MAIA den Forschenden ermöglichen zu verstehen, welche Gemeinden am stärksten von der Luftverschmutzung betroffen sind und welche Quellen dafür verantwortlich sind. In den letzten Jahren hat Ritz mit interessierten Wissenschaftler*innen in den Zielgebieten von MAIA zusammengearbeitet und ihnen geholfen, ihre Forschungsinfrastruktur aufzubauen. „Das Wichtige an MAIA ist, dass es diese Modelle auf der Grundlage von sehr [daten-]reichen Gebieten wie Los Angeles aufbauen wird“, so Ritz. „Aber dann werden [Forschende] diese Modelle auf andere Teile des Landes oder der Welt anwenden, wo es keine Bodenüberwachung gibt.“

Diese Art von Daten, so Ritz, könnte Impulse für die Regulierung der Luftverschmutzung geben. „Es könnte uns helfen, die Ungleichheiten in der Belastung zu verstehen und auch zu verstehen, wie man sie angehen kann, indem man die Quellen verfolgt, die dafür verantwortlich sind“, sagte Kinney. „Und wenn wir im Laufe der Zeit herausfinden, welche Komponenten die gesundheitlichen Auswirkungen verursachen, dann wird uns das helfen, gezielt einzugreifen.“

Autor: Jackie Rocheleau

Dieser Artikel erschien im Original im AGU’s Eos Magazine und wurde hier im Rahmen von Covering Climate Now, einer globalen Initiative zur Stärkung der Klimaberichterstattung, nochmals veröffentlicht. Übersetzt hat den Artikel Sarah-Indra Jungblut.