Messsystem zur 3D-Vermessung von NO2-Verteilungen mittels differentieller optischer Absorptionsspektroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei dem neu installierten Messsystem handelt es sich um eine Kombination von verschiedenen Fernerkundungs- und In-Situ-Messverfahren um die dreidimensionale Verteilung von Stickoxidkonzentrationen zu vermessen. Diese Messverfahren basieren auf Differentieller Optischer Absorptionsspektroskopie, das den spektralen Fingerabdruck verschiedener absorbierender Gase zur Konzentrationsbestimmung verwendet. Das Messsystem besteht aus drei Langpfad DOAS (LP DOAS) Instrumenten, dass ein Lichtsignal zu verschiedenen Retroreflektoren, die in der Umgebung des Messsystems installiert wurden, schickt, und das reflektierte Signal spektral analysiert und dadurch pfadintegrierende Konzentrationen bestimmen kann. Eine weitere Komponente scannt den Himmel unter verschiedenen Elevations- und Azimutwinkel, ein sogenanntes Multi-Axis DOAS (MAX DOAS) und analysiert das gestreute und teilweise absorbierte Sonnenlicht um Spurengasprofile zu bestimmen. Um auch die Verteilung von NO2 unterhalb der Dachgrenze zu bestimmen, wurde das System durch ein cavity-enhanced DOAS (CE DOAS) Instrument ergänzt, das die benötigte Absorptionsstrecke entlang des Lichtweges in einem Hohlraumresonator zusammenfaltet, und somit für mobile Punktmessungen geeignet ist. Die drei LP DOAS und das MAX DOAS messen kontinuierlich seit 2015, während das CE DOAS episodenartig bei Messkampagnen eingesetzt wurde. In 2016 wurde das gesamte System dazu verwendet, um eine NO2 Konzentrationskarte für München zu erstellen. Dies ist nur im Zusammenspiel der einzelnen Komponenten möglich, da für eine konsistente Konzentrationskarte räumliche und zeitliche Variationen getrennt werden müssen. Die LP DOAS Messungen werden benötigt, um Tageszeitabhängigkeiten der mobilen CE DOAS Messungen zu korrigieren, und um die Dach- und Straßenmessungen zu kombinieren, werden Vertikalprofile verwendet, die mittels des MAX DOAS bestimmt und extrapoliert werden. Weitere Projekte, in denen das Messsystem zum Einsatz kam, sind Messungen von Verkehrsemissionen, Messungen auf Fahrradwegen, sowie Untersuchungen zu den unterschiedlichen Expositionen von Erwachsenen und Kindern aufgrund der verschiedenen Einatemhöhe. Es stellte sich heraus, dass bereits bei niedrigen Höhen sich ein deutlicher Unterschied gemessener Konzentrationen ergibt. Während mehrerer Testfahrten mit dem CE DOAS, das auf einem Fahrrad-Messanhänger installiert wurde, konnten Unterschiede zwischen 3 und 8.5ppb (parts per billion, 1 ppb = 1,9123 μg/m^3 bei 1013 hPa und 20°C) für Messhöhen zwischen 0.9m und 1.5m beobachtet werden. Das die mittleren NO2 Konzentrationen auch weiterhin mit der Höhe abnehmen, konnte mit Testmessungen in 4m Höhe, welches die gesetzlich vorgeschriebene Maximalhöhe für Messstationen ist, bestätigt werden. Dort wurden im Schnitt um 5ppb niedrigere Werte im Vergleich zu den Messungen in 1.5m Höhe gefunden. Dies ist ein wichtiger Punkt, der in der Diskussion um Grenzwertüberschreitungen berücksichtigt werden sollte. In einem weiteren Projekt wurden das CE und MAX DOAS auf einem Zeppelin montiert (in Kooperation mit der EMPA (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)) um die Stickoxidverteilung in Zürich zu messen. Dabei wurde das MAX DOAS zum Boden hin scannend installiert, während das CE DOAS Punktmessungen auf 300m Flughöhe durchgeführt hat. Diese Punktmessungen haben nur sehr geringe Konzentrationen ergeben, die Säulenmessungen mittels des MAX DOAS konnten hingegen starke Variationen in den verschiedenen Bereichen der Stadt zeigen. Im Rahmen verschiedener Masterarbeiten wurden die Messtechniken erweitert und mit anderen Verfahren kombiniert. So wurden z.B. die scannenden LP DOAS Instrumente, die bis dahin nur aktive Messungen durchführen konnten um passive Messungen erweitert. Zusätzlich zu den Messungen mit der eingebauten Lichtquelle und unter Verwendung von Retroreflektoren, wurde an Hauswänden gestreutes Licht verwendet und mittels 3D Strahlungstransportsimulationen die ToTaL (Topographic Target Light Scattering) DOAS implementiert und verbessert. In einer weiteren Masterarbeit wurde der Scanner des LP DOAS auf drohnengetragene Retroreflektoren gerichtet, und somit Höhenprofile gemessen. Ebenfalls im Rahmen einer Masterarbeit wurden die Stickoxid-Srtaßenmessungen mit automatisch analysierten Videoaufnahmen kombiniert um Verkehrszählungen durchzuführen um wiederum Verkehrsemissionen quantifizieren zu können.
