Drohnen, die mit erschwinglichen Sensoren ausgestattet sind, bieten eine vielversprechende Möglichkeit zur Verbesserung der Überwachung der Luftqualität, insbesondere in städtischen Gebieten. Eine aktuelle Studie in der Megacity Delhi, die von einem internationalen Team durchgeführt wurde, hebt hervor, wie vertikale Messungen durch Drohnen wertvolle Einblicke in die Luftverschmutzung geben können. Diese Forschung kommt zu dem Schluss, dass die Integration von Drohnenmessungen in bestehende Bodennetzwerke die Genauigkeit von Luftqualitätsmodellen erheblich steigern und somit effektivere Strategien zur Bekämpfung der Luftverschmutzung entwickeln helfen könnte.
Die Hauptstadtregion Delhi, mit über 30 Millionen Einwohnern, zählt zu den am dichtesten besiedelten Städten der Welt und kämpft mit gravierenden Luftqualitätsproblemen. Insbesondere während der Wintermonate erreichen Feinstaubwerte gefährlich hohe Konzentrationen, was zu ernsthaften Gesundheitsrisiken für die Bevölkerung führt. Um den Ursachen der Luftverschmutzung besser auf den Grund zu gehen, wurden in der vergangenen Zeit verstärkt bodengestützte Messungen durchgeführt. Bislang basierten die meisten Studien jedoch entweder auf Satellitenbeobachtungen oder auf Daten, die am Boden erfasst wurden. Informationen aus den unteren Luftschichten blieben dabei weitgehend unberücksichtigt.
Die vertikale Verteilung von Schadstoffen sowie die meteorologischen Bedingungen bis in Höhen von etwa einem Kilometer sind von großer Relevanz, da sie die Konzentration von Luftschadstoffen beeinflussen. In jüngster Zeit hat die Technologie für Drohnen und kostengünstige Feinstaubsensoren deutliche Fortschritte gemacht, was neue Möglichkeiten zur Erfassung von Luftqualitätsdaten eröffnet. Dies wurde in einem Feldversuch am Indian Institute of Technology (IIT) in Delhi im Jahr 2021 getestet.
Das Forschungsteam um Jun.-Prof. Ajit Ahlawat setzte eine Drohne des indischen Unternehmens BotLab Dynamics ein, die mit preiswerten Sensoren zur Feinstaubmessung ausgestattet wurde. Eine der wesentlichen Herausforderungen bestand darin, die Sensoren so zu positionieren, dass die Messungen nicht durch die Rotoren der Drohne beeinträchtigt werden. Dazu entwickelten die Wissenschaftler einen speziellen vertikalen Aerosol-Einlass, der es ermöglichte, unverfälschte Messungen der Luftqualität vorzunehmen. Zudem wurde ein Entfeuchter in die Drohne integriert, um die Herausforderungen durch hohe Luftfeuchtigkeit zu meistern, die in der Region häufig auftritt.
Die durchgeführten Messungen ermöglichten es den Forschern, die vertikalen Schwankungen der Schadstoffkonzentrationen in verschiedenen Höhen und zu verschiedenen Tageszeiten zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass während der Morgenstunden, insbesondere bei Smogbedingungen, die PM2.5-Konzentration in 100 Metern Höhe bis zu 60 Prozent höher war als in Bodennähe. Dies deutet darauf hin, dass bestehende Luftqualitätsmodelle die tatsächlichen Schadstoffkonzentrationen während kritischer Phasen, wie dem morgendlichen Smog, erheblich unterschätzen.
Ein weiterer interessanter Befund war, dass organische Stoffe tagsüber vorherrschten, während anorganische Stoffe wie Nitrat und Chlorid nachts anstiegen. Diese Veränderungen in der Zusammensetzung der Luftschadstoffe sind wahrscheinlich auf die Verbrennung von Biomasse und Abfällen sowie auf Emissionen aus der Industrie zurückzuführen. Die Studie stellte auch fest, dass die Schadstoffanreicherung in der unteren Grenzschicht insbesondere in der Nacht aufgrund hoher relativer Luftfeuchtigkeit und damit verbundener sekundärer Aerosolbildung verstärkt wurde.
Die Ergebnisse der Studie unterstreichen die Notwendigkeit, Emissionskontrollmaßnahmen zu entwickeln, die sich gezielt auf nächtliche Quellen und die damit verbundenen sekundären Aerosolprozesse konzentrieren. Darüber hinaus zeigen die Abweichungen zwischen den gemessenen Werten und den Modellvorhersagen, dass hochauflösende vertikale Messungen unerlässlich sind, um die Vorhersagen zur Luftqualität in urbanen Gebieten zu verbessern.
Die Integration von kostengünstigen Feinstaubsensoren in bestehende Luftüberwachungssysteme könnte nicht nur zur Schließung von Beobachtungslücken in der unteren Grenzschicht führen, sondern auch die Entwicklung von Luftqualitätsmodellen der nächsten Generation vorantreiben. Diese Modelle könnten eine bessere Grundlage für die Gesundheitsstrategien in Megastädten wie Delhi bieten und gleichzeitig wichtige Erkenntnisse für globale Ansätze zur Minderung der Luftverschmutzung in urbanisierten Regionen liefern.
