Die Dynamik der Luftverschmutzung

In den Wintermonaten erreicht die Verschmutzung der Luft in Tirol ihren Höhepunkt. Während sich die Diskussion meist um die Produzentender Schadstoffe wie Verkehr oder Hausbrand dreht, untersuchten Forscher des Instituts für Meteorologie und Geophysik den Einfluss des Wetters auf die Intensität der Luftverschmutzung.
Luftschadstoffe im Inntal
Schadstoffstudie im Inntal: Die hohe Konzentration der Schadstoffe ist mit freiem Auge sichtbar. (Foto: Alexander Gohm)

Anfang Dezember vergangenen Jahres wurde Ass.-Prof. Dr. Alexander Gohm vom Institut für Meteorologie und Geophysik für seine Forschungsarbeiten zum Transport von Luftschadstoffen am Beispiel des Inntales mit dem Wissenschaftspreis der Stadt Innsbruck ausgezeichnet. „Von Interesse waren weniger die Ursachen der Luftverschmutzung, sondern vielmehr die Frage, welche Wetterverhältnisse für den Transport und damit das Ausmaß der Umweltbelastung für die Bevölkerung ausschlaggebend sind“, erklärt Gohm das Ziel der preisgekrönten Studie, die Teil seiner Habilitationsschrift ist. Anhand von Beobachtungen im Inntal an vier Wintertagen konnte der Gebirgsmeteorologe drei verschiedene Typen des Luftschadstofftransportes ausmachen.

Wind- und Druckschwankungen

Der erste Typ zeichnet sich durch die Aktivität so genannter Hangwinde aus. Diese Winde, die für talförmige Landschaften wie das Inntal typisch sind, können zu einer paradoxen Situation führen, erklärt Gohm: „In höheren Lagen, in denen man sich eigentlich sauberere Luft erwarten würde, kann die Belastung im Laufe des Tages zunehmen, da die Feinstaubteilchen durch Hangwinde vertikal hinauftransportiert werden.“ Besonders in Tälern herrschen häufig Temperaturunterschiede vor, die Druckschwankungen verursachen. „Um diese Druckunterschiede auszugleichen, kriecht die durch Schadstoffe angereicherte kalte Luft unter die warme Luft und transportiert so Schadstoffe weiter“, beschreibt der Wissenschaftler den zweiten Typ, die „Dichteströmung“.

Föhn kommt zu Hilfe

Besonders die Stadt Innsbruck befindet sich im Winter häufig in einem „Kaltluftsee“, d.h., die Temperaturen sind im Tal niedriger als in höheren Lagen. Da sich Schadstoffe in bodennaher kalter Luft besonders gut halten, kann Föhn Abhilfe schaffen. Setzt sich der warme Wind über die kalte Schicht hinweg („Föhndurchbruch“), nimmt die Sauberkeit der Luft innerhalb kürzester Zeit wieder zu, da die Schadstoffe abtransportiert werden. „Kann der Föhn bis zum Boden durchgreifen, hat er auf die Luftgüte einen äußerst positiven Einfluss“, beschreibt Gohm eine gute Eigenschaft des hierzulande eher unbeliebten Warmwinds. Darüber hinaus spielen auch räumliche Unterschiede eine wichtige Rolle. Dass es in Innsbruck bedingt durch Föhn sehr stürmisch zugeht, aber beispielsweise in Schwaz mehr oder weniger Windstille herrscht, ist ein nur allzu bekanntes Phänomen. Gohm und sein Team flogen in einem mit speziellen Messgeräten ausgestatteten Flugzeug entlang der Talachse und stellten Unregelmäßigkeiten fest. Aufgrund der komplexen Talstruktur kann der Föhn nicht überall gleichzeitig durchbrechen, es kommt zum Vor- und Rückwärtstransport unterschiedlicher Luftschichten. „Wenn der Föhn schwächer wird, greift die schadstoffbelastete Schicht wieder durch, wird er stärker, geht sie wieder zurück.“ Die Grenzen zwischen schadstoffarmer und schadstoffreicher Luft sind somit wetterbedingten Variationen unterworfen.

Neuartige Mess- und Rechenmethoden

Eine Besonderheit der Studie Gohms liegt in der Methodik zur Erfassung der Daten. Die Wissenschaftler verwendeten für ihre Messungen die so genannte Lidar-Technik (engl. Light detection and ranging), eine auf Laser basierte Fernerkundungsmethode, die anhand von Vertikalschnitten durch die Atmosphäre von einem Flugzeug aus genaue Daten über die Konzentration von Partikeln liefert. Weiters war eine Systematisierung des Luftschadstofftransportes mit einem dreidimensionalen Computermodell möglich, das die Strömungen in der Talatmosphäre veranschaulicht und in dieser Form bisher noch nicht vorlag – besonders nicht am Beispiel eines Tales. Ganz im Gegenteil zur üblichen stationären Messung der Luftgüte: Diese Messstationen verzeichnen immer wieder Schwankungen in der Intensität der Luftverschmutzung, die ohne ein Wissen um die Dynamik des Luftschadstofftransports kaum interpretiert werden können. Um diese Variationen zu verstehen, „muss man daher auch sehen, dass die Konzentration der Luftschadstoffe nicht nur davon abhängt, wie viele Fahrzeuge gerade auf der Autobahn fahren, sondern auch ganz stark von der meteorologischen Situation“, betont Gohm. Denn bei gewissen Wetterlagen, wie zum Beispiel bei starkem Föhn oder Regen, hat selbst ein sehr großes Verkehrsaufkommen keine Schadstoffspitzen zur Folge.

Sensibilisierung als Ziel

Dem gegenwärtig üblichen Ansatz zur Interpretation von Schadstoffmessung liegt ein konzeptionelles Modell zugrunde, das von einer flachen Landschaft ausgeht. Die meteorologische Situation im alpinen Bereich ist allerdings im Vergleich zum Flachland wesentlich dynamischer und macht daher auch komplexere Messungen und Rechenmodelle erforderlich. „In konventionellen Modellen werden Topographie und lokale Windsysteme nicht adäquat berücksichtigt“, erklärt Gohm die Ungenauigkeiten jener Modelle, die heute meist Anwendung finden. Die Forscher des Instituts für Meteorologie und Geophysik verfolgen allerdings keineswegs die Absicht, die gegenwärtigen Modelle zu kritisieren oder für nichtig zu erklären. Denn die dreidimensionale Darstellung des Schadstofftransportes durch Fernerkundungsmethoden oder Computermodelle ist mit enormem Arbeitsaufwand und dementsprechend hohen Kosten verbunden – in der Praxis zur täglichen Bestimmung und Prognose der Schadstoffbelastung daher (noch) nicht anwendbar. „Die Ergebnisse unserer Arbeit sollen für die Komplexität der Thematik sensibilisieren und zu weiteren Untersuchungen anregen“, so Gohm.

Zur Person

Alexander Gohm wurde 1973 in Bregenz geboren und studierte von 1991 bis 1997 Meteorologie an der Universität Innsbruck. Ab 1997 arbeitete er als Forschungsassistent an mehreren EU- und FWF-Projekten in Innsbruck mit und promovierte 2004 am Institut für Meteorologie und Geophysik. An diesem Institut nahm er im gleichen Jahr eine Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter auf und habilitierte sich schließlich im Herbst 2010 im Bereich Meteorologie. Gegenwärtig ist Gohm als Assistenzprofessor am Institut für Meteorologie und Geophysik tätig.

Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe von wissenswert – dem Magazin der Universität Innsbruck in der Tiroler Tageszeitung – erschienen. Weitere interessante Beiträge rund um Lehre und Forschung an der Universität Innsbruck finden Sie in der Online-Ausgabe von wissenswert.