Feinstaub

Feinstaub ist ein Teil des Schwebstaubs. Als Schwebstaub oder englisch "Particulate Matter" (PM) bezeichnet man Teilchen in der Luft, die nicht sofort zu Boden sinken, sondern eine gewisse Zeit in der ⁠Atmosphäre⁠ verweilen. Feinstaub ist die "feste oder flüssige Komponente" des Aerosols als dem Gesamtsystem der luftgetragenen Teilchen.

Die weltweite Überwachung der Luftqualität und des Klimawandels stützt sich zunehmend auf Erdbeobachtungssatelliten (EO-Satelliten), um Feinstaub (PM), also mikroskopisch kleine Partikel aus festen oder flüssigen Stoffen, in der Atmosphäre zu erkennen und zu quantifizieren. Satellitenbeobachtungen liefern konsistente, globale Informationen über die Verteilung und die optischen Eigenschaften von Aerosolen und unterstützen damit die Klima- und Gesundheitsforschung.

Visualisierung von Feinstaubtransporten

Die NASA kombiniert Satelliten- und bodengestützte Beobachtungen, fortschrittliche Modelle und Rechenleistung, um Aerosole in der Atmosphäre zu untersuchen. Aerosole sind winzige feste oder flüssige Partikel, die in der Atmosphäre schweben und große Entfernungen zurücklegen können, wodurch sie die Luftqualität und Sichtweite weit entfernt von ihren Quellen beeinflussen.

Diese Partikel stammen aus natürlichen und menschlichen Quellen und umfassen Meersalz (cyan), Staub (magenta), Ruß (orange/rot) und Sulfate (grün). In Südamerika kann man beispielsweise Ruß aus Bränden im Amazonas-Regenwald sehen, und über dem Atlantik sieht man Staub aus der Sahara, der von Nordafrika in Richtung Amerika weht. Diese Visualisierung umfasst den Zeitraum vom 1. August bis zum 14. September 2024 und basiert auf dem Goddard Earth Observing System (GEOS)-Modell der NASA, das realistische, hochauflösende Wetter- und Aerosoldaten liefert, die maßgeschneiderte Umweltvorhersagen und Fortschritte in der KI-Forschung ermöglichen.

Aerosole in der Luft (äquirektanguläre Projektion) Über die folgende Quellenangabe sind unterschiedliche Animationen abrufbar.
Quelle: NASA

Die Visualisierung hilft zu verstehen, wie die Atmosphäre weit entfernte Teile der Welt miteinander verbindet. Was in einer Region geschieht – seien es Naturereignisse oder menschliche Aktivitäten – kann sich Tausende von Kilometern entfernt auf Wetterverhältnisse und Luftqualität auswirken. Durch die Verfolgung dieser Bewegungen hilft die NASA Gemeinden dabei, sich auf Veränderungen der Luftqualität und Sichtverhältnisse vorzubereiten, und fördert gleichzeitig unser Verständnis des komplexen atmosphärischen Systems der Erde.

Die Visualisierung hebt folgende atmosphärische Phänomene hervor
Hurrikane und Taifune	Der Hurrikan Ernesto im Atlantik zieht Staub aus Afrika an, während der Taifun Ampil in der Nähe von Japan Verschmutzungen vom asiatischen Festland mit sich bringt. Die starken Winde der Stürme wirbeln das Meerwasser auf und erzeugen Meersalzpartikel, die als blaue Spiralen sichtbar sind.
Saharastaub	Wüstenstaub aus der Sahara gelangt über den Atlantik und sorgt im Sommer 2024 für einen dunstigen Himmel in der Karibik und beeinträchtigt die Luftqualität bis nach Texas und Florida.
Vulkanische Rauchwolken	Der hawaiianische Vulkan Kilauea stieß einen schmalen Strom von Sulfatpartikeln aus, der sich nach Westen bewegte.
Waldbrandrauch	- Im südlichen Afrika verursachte die saisonale landwirtschaftliche Verbrennung Rauch, der über den Atlantik driftete - Südamerika war 2024 von Rekordwaldbränden betroffen, die einen flussartigen Strom von Rauchpartikeln verursachten, der große brasilianische Städte beeinträchtigte. - Kanada erlebte die zweit schlimmste Waldbrandsaison seit Beginn der Aufzeichnungen, wobei der Rauch bis nach Nordeuropa gelangte.
Meersalz	Die wirbelnden blauen Muster über den Ozeanen zeigen Meersalz, das durch starke Winde aufgewirbelt wurde.

Größengliederung ⁠ der Staubpartikel in verschiedene Fraktionen

Unter ⁠PM10⁠ versteht man vereinfacht alle Staubpartikel, deren aerodynamischer Durchmesser kleiner als 10 Mikrometer (das sind 10 Millionstel Meter) ist. Im Allgemeinen wird diese PM10-Fraktion des Schwebstaubes als Feinstaub bezeichnet. Eine Teilmenge der PM10-Fraktion sind die feineren Partikel, deren aerodynamischer Durchmesser weniger als 2,5 Mikrometer beträgt. Diese bezeichnet man als "Feinfraktion" oder ⁠PM2,5⁠ (im Gegensatz dazu den Größenbereich 2,5 bis 10 Mikrometer als "Grobfraktion"). Die kleinsten von ihnen, mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer (das sind 100 Milliardstel Meter), sind die ultrafeinen Partikel.

Einige Partikel, wie Staub, Schmutz, Ruß oder Rauch, sind groß oder dunkel genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Andere sind so klein, dass sie nur mit einem Elektronenmikroskop erkannt werden können. Lediglich während bestimmter Wetterlagen kann man dann Feinstaub in Form einer "Dunstglocke" sehen.

Feinstaub - Größenvergleich Quelle: EPA

Effekte

PM10 kann beim Menschen in die Nasenhöhle, PM2,5 bis in die Bronchien und Lungenbläschen und ultrafeine Partikel bis in das Lungengewebe und sogar in den Blutkreislauf eindringen. Je nach Größe und Eindringtiefe der Teilchen reichen die gesundheitlichen Wirkungen von Schleimhautreizungen und lokalen Entzündungen in der Luftröhre und den Bronchien oder den Lungenalveolen bis zu verstärkter Plaquebildung in den Blutgefäßen, einer erhöhten Thromboseneigung oder Veränderungen der Regulierungsfunktion des vegetativen Nervensystems (Herzfrequenzvariabilität).

Luftgetragene Partikel gelten als Karzinogene der Gruppe 1, was die mit ihrer Exposition verbundenen schwerwiegenden Gesundheitsrisiken widerspiegelt. Natürliche PM-Quellen wie Staubstürme und anthropogene Quellen wie die Verbrennung von Biomasse und die industrielle Produktion können hohe Konzentrationen von Aerosolen erzeugen. Aerosole spielen auch eine Rolle im Strahlungshaushalt der Erde und können beeinflussen, wie viel Energie die Erde absorbiert oder reflektiert.

Feinstaub-Monitoring

Die Überwachung und Vorhersage von PM-Konzentrationen in Bodennähe erfordert eine Kombination aus bodengestützten Messungen, Satellitenbeobachtungen und Informationen aus atmosphärischen Chemie- und Transportmodellen. Obwohl sie für die PM-Schätzung noch nicht optimal genutzt werden, sind weltraumgestützte Sensoren in der Lage, viele verschiedene Aspekte von PM zu messen. Breitband-Multispektralbildgeber kartieren die horizontale Verteilung der vertikal integrierten Aerosolbelastung (die gesamte Aerosolsäule).

Multi-Winkel- und polarimetrische Bildgeber sind in der Lage, Partikelgröße und -typ zu unterscheiden, hyperspektrale Bildgeber liefern Informationen über die spektrale Absorption und Aerosolspeziation, und Lidare messen die vertikale Verteilung von Aerosolen entlang schmaler Spuren. Der Ausschuss für Erdbeobachtungssatelliten (CEOS) veröffentlichte ein Weißbuch, in dem Ansätze zur Erstellung satellitengestützter Produkte und Dienste, insbesondere für die Überwachung von PM2,5 an der Oberfläche, detailliert beschrieben und Empfehlungen zur Stärkung der Rolle von Satelliten bei der Begrenzung der globalen PM-Werte abgegeben werden.

Sentinel-4 überwacht die Luftqualität über Europa Quelle: eoPortal

Grundlagen der Satelliten-Aerosolmessung

Satelliten-Aerosolmessungen basieren auf der Strahlungstransfertheorie (RTT), die beschreibt, wie einfallende Sonnenstrahlung mit Aerosolen, atmosphärischen Gasen und der Erdoberfläche interagiert. Passive Sensoren wie Radiometer und Spektrometer messen die gesamte Strahlungsintensität, die über mehrere Wellenlängen hinweg zur Obergrenze der Atmosphäre (TOA) zurückreflektiert wird, um daraus die Eigenschaften der Aerosole abzuleiten. Eine Herausforderung bei der passiven Fernerkundung besteht darin, die von Aerosolen gestreuten schwachen Signale genau und konsistent von den stärkeren, stark variierenden Signalen zu isolieren, die von der Erdoberfläche reflektiert werden, insbesondere über Land. Um dem entgegenzuwirken, werden zwei spezielle Abrufalgorithmen verwendet, um die optische Tiefe der Aerosole (engl. aerosol optical depth, AOD) zu ermitteln: der Dark Target- und der Deep Blue-Algorithmus.

Relevante Satellitenmissionen

Sentinel-5P	Die Mission Copernicus Sentinel-5 Precursor (Sentinel-5P) wurde von der ESA entwickelt, um hochpräzise atmosphärische Daten zu liefern. Der Satellit ist mit dem Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) ausgestattet, einem Push-Broom-Gitterspektrometer mit einer Erfassungsbreite von 2600 km. TROPOMI liefert täglich weltweite Daten zu Spurengasen und Aerosolen in der Atmosphäre, die für die Überwachung der Luftqualität, Klimaprognosen und die Beobachtung der Ozonschicht verwendet werden.
Sentinel-4	Die Sentinel-4-Mission, die von der ESA im Rahmen des Copernicus-Programms entwickelt wurde, ist ein Instrument an Bord der geostationären Satelliten der dritten Generation von Meteosat (MTG), das zur kontinuierlichen Überwachung der atmosphärischen Eigenschaften über Europa mit hoher zeitlicher Auflösung beiträgt. Sein Spektrometer für ultraviolettes, sichtbares und nahes Infrarotlicht (UVN) dient zur Messung der AOD, die für die Assimilation von Daten in Modelle zur Vorhersage der Luftqualität und zur Unterstützung der Umweltpolitik in ganz Europa wichtig ist.
JPSS	Das Joint Polar Satellite System (JPSS) ist eine Serie von Umweltsatelliten, die von der NOAA und der NASA entwickelt wurden. JPSS-Satelliten umkreisen die Erde etwa 14 Mal pro Tag und bieten zweimal täglich eine vollständige globale Abdeckung. Jeder JPSS-Satellit ist mit einer Vielzahl von Instrumenten ausgestattet, darunter der Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS), der Cross-track Infrared Sounder (CrIS), die Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) und das Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES). VIIRS ist ein passiver Sensor zur Messung der Eigenschaften von Aerosolen. Die Daten von VIIRS werden mit Messungen von MODIS und MISR zusammengeführt, um hochpräzise Produkte zu erstellen, die für die langfristige Überwachung des Klimawandels erforderlich sind, einschließlich detaillierter Bewertungen der AOD-Trends.
TEMPO	Tropospheric Emissions: Monitoring of Pollution (TEMPO) ist ein von der NASA entwickeltes und betriebenes geostationäres Satelliteninstrument, dessen Aufgabe es ist, die wichtigsten Luftschadstoffe über dem nordamerikanischen Kontinent zu überwachen. TEMPO liefert stündliche Messungen der atmosphärischen Eigenschaften mit einer Bodenauflösung von 2,21 x 4,97 km und einer spektralen Auflösung von 0,57 nm. Das Instrument misst Variablen, die für fortschrittliche Verschmutzungsvorhersagemodelle erforderlich sind, darunter sieben aerosolempfindliche Strahlungsbänder, die in Machine-Learning-Frameworks zur Schätzung der Konzentrationen von PM2,5-Partikeln verwendet werden. Die Daten werden für operative Luftqualitätsvorhersagen und Echtzeit-Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit verwendet.
Terra & Aqua	Die von der NASA entwickelten Satelliten Terra und Aqua liefern Langzeitdaten für die Aerosolüberwachung. An Bord beider Satelliten befindet sich MODIS, ein passiver Sensor, der AOD-Beobachtungen in mehreren räumlichen Auflösungen erfasst. MODIS-Daten sind für die Klimaforschung wichtig, da sie die notwendigen Daten liefern, um die Strahlungseffekte von Aerosolen zu messen und die Eigenschaften von Aerosolen auf globaler Ebene zu identifizieren. Der Dark Target-Algorithmus, der auf spektral dunkle Oberflächen angewendet wird, macht MODIS-Daten für die Verfolgung von Aerosolen über Ozeanen zuverlässig. Das Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) an Bord des Terra-Satelliten ergänzt MODIS, indem es dasselbe Ziel aus mehreren Blickwinkeln beobachtet und zusätzliche Daten zu Aerosoleigenschaften wie Form und Größenverteilung erfasst.
Kompsat-2B	Das Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS), das an Bord des südkoreanischen geostationären Mehrzwecksatelliten Korea Multi-Purpose Satellite-2B (GEO-KOMPSAT-2B) eingesetzt wird, ist ein Instrument, das sich auf die Bereitstellung von Daten für die Überwachung der Luftqualität in ganz Asien konzentriert. GEMS liefert stündliche Daten zu Aerosolen, die für die Verfolgung von Partikeln wie Rauch und Verschmutzung wichtig sind.

Weitere Informationen:

Particulate Matter (eoPortal 2025)
Science On A Sphere: Aerosols in the Air (NASA 2025)