18.08.2019

Wie verteilen sich Pollen in der Luft?

Burkhard-Falle der Uni Turku/FMI zur klassischen Bestimmung von Pollen im Einsatz am TROPOS in Leipzig. Bild: Tilo Arnhold, TROPOS.

Burkhard-Falle der Uni Turku/FMI zur klassischen Bestimmung von Pollen im Einsatz am TROPOS in Leipzig. Bild: Tilo Arnhold, TROPOS.

Von Allergien Betroffene bekommen bisher ihre Informationen über die aktuelle Pollenbelastung hauptsächlich aus Pollenfallen in Bodennähe. Ein Forschungsteam aus Finnland und Deutschland arbeitet aber an der Erkennung von Pollen über dem Boden und in der Luft durch Laserstrahlen. Dazu lief in Melpitz bei Leipzig eine Messkampagne des Finnischen Wetterdienstes (FMI) und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), die seit Juli in Leipzig fortgesetzt wird.

Noch bis August wollen die Forscherinnen und Forscher dabei eine klassische Pollenfalle mit einem mobilen Lidar (Licht-Radar) vergleichen, um herauszufinden, ob es durch die unterschiedlichen Oberflächenformen der Pollen möglich ist, die Pollen verschiedener Baumarten zu unterscheiden. Gelingt dies, dann könnten die Lidar-Geräte des europäischen Netzwerks PollyNet künftig nicht nur Informationen zu Staub und Vulkanasche in der Atmosphäre, sondern auch zu Pollen liefern und so helfen, Modelle zur Pollenausbreitung zu verbessern.

Die Verbreitung von Pollen in der Atmosphäre interessiert nicht nur Menschen, die von Allergien betroffen sind. Auch die Klimaforschung interessiert sich für diese winzigen Partikel, denn sie rufen nicht nur Allergien hervor, sondern haben ebenfalls Einfluss auf Klima und Umwelt. Die Samen vieler Pflanzen sind so klein und leicht, dass sie mit dem Wind über große Entfernungen transportiert werden können. Während ihrer Reise in der Atmosphäre streuen sie das Sonnenlicht und wirken als Keim, an dem sich Wolkentropfen aber auch Eis und Niederschlag bilden können. Pollen beeinflussen so auch auf die Wolken, die Regenmengen und den Strahlungshaushalt der Erde. Mehr über ihre vertikale Verteilung in der Atmosphäre zu wissen, würde zum Beispiel helfen, besser abzuschätzen, wie die Erderwärmung mit längeren Vegetationsphasen die Wolkenbildung beeinflusst und diese wiederum auf das Klima zurückwirkt.

Das aktuelle Projekt von FMI und TROPOS reiht sich ein in interdisziplinäre Ansätze der Leipziger Allergieforschung: So wurde im Frühjahr am Uniklinikum Leipzig eine zweite Pollenfalle in Zusammenarbeit mit Biologen und Monitoringspezialisten des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) installiert, um Pollenmessungen zu verbessern. Ziel der Wissenschaftler ist es, künftig Informationen nicht nur über die Zahl der Pollen, sondern auch deren Allergengehalt sowie weitere relevante Eigenschaften zu gewinnen. Der Hintergrund sind Erkenntnisse aus der Leipziger LIFE-Studie, die sich den Ursachen von Zivilisationserkrankungen widmet. Das Projekt zur Pollendiversität (PolDiv) von UFZ und iDiv will so zusammen mit den Leipziger Interdisziplinären Centrum für Allergologie (LICA) mehr über diese Faktoren herausfinden. Daher arbeiten diese drei Leipziger Einrichtungen eng zusammen. Dazu könnten künftig auch die Lidar-Daten und andere Atmosphärenbeobachtungen des TROPOS beitragen.

Im waldreichen Finnland ist die Wirkung von Pollen auf Gesundheit und Mikroklima besonders deutlich zu spüren. Die Aerobiologie-Gruppe der Universität Turku betreibt daher ein Netzwerk von 9 Stationen, die die Art und Konzentration der Pollen in Bodennähe mit Hilfe von sogenannten Burkhard-Fallen bestimmen. Lidar-Geräte, die wie ein Lichtradar die Atmosphäre über den Boden abtasten, könnten helfen, unser Wissen über diese kleinen Partikelchen zu verbessern. Je nach Oberfläche und Form der Pollen wird das Licht unterschiedlich reflektiert. Wird also nicht nur Laufzeit und Menge des reflektierten Lichts, sondern auch die Drehung (Polarisation) gemessen, dann ermöglicht diese Information Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Partikel. Der Samen von Birken beispielsweise polarisiert Licht relativ wenig, d.h. das zurückgestreute Laserlicht wird wenig gedreht und man kann auf eine kugelartige Form der Pollen schließen. Der Samen von Kiefern und anderen Nadelbäumen dagegen polarisiert Licht recht stark, d.h. das Laserlicht wird stark gedreht und somit haben die Pollen eher eine nichtsphärische Form. „Wir betreiben seit mehreren Jahren ein Raman-Lidar PollyXT. Nun versuchen wir die Messungen mit den Daten klassischer Pollenfallen zu kombinieren, um die optischen Eigenschaften der Pollen zu untersuchen. Ziel ist eine Pollen-Klassifizierung aus der Ferne per Laser“, erklärt Stephanie Bohlmann vom Finnischen Wetterdienst (FMI). Erste Messungen fanden 2016 in den borealen Wäldern an einer Außenstelle des FMI im ostfinnischen Kuopio statt. 2018 folgte eine Messkampagne auf Kreta, also im mediterranen Klima. Und 2019 wird in Melpitz sowie Leipzig und damit in einem gemäßigten, mitteleuropäischen Klima gemessen. Vom Vergleich dieser drei Orte mit sehr unterschiedlichem Klima und unterschiedlichen Pollenbedingungen erhoffen sich die Forschenden dann neue Rückschlüsse auf die Pollen-Erkennung via Laser.

„Sowohl Kuopio in Finnland als auch Finokalia auf Kreta sind Teil des europaweiten Lidarnetzwerks PollyNet unter der Federführung des TROPOS, in dem die Partikel in der Atmosphäre vom Boden aus mit Lasern untersucht werden. Wir haben daher gerne unsere Station in Melpitz für diese Untersuchung zur Verfügung gestellt und sind gespannt, welche Pollen aus den Wäldern der Dübener und Annaburger Heide zu erkennen sein werden“, berichtet Dr. Holger Baars vom TROPOS. Zum Einsatz kommt dabei der OCEANET-Container des TROPOS, der sonst regelmäßig während der Transferfahrten des deutschen Forschungseisbrechers Polarstern den Atlantik auf- und abfährt, in diesem Jahr aber bereits in Schweizer Davos im Einsatz war und ab September bei der MOSAiC-Expedition und damit für die Überwinterung der Polarstern 2019/2 in der zentralen Arktis zum Einsatz kommt.

Die Fernerkundung von Pollen in der Atmosphäre per Laser ist eine vergleichsweise junge Methode: Als erste, die jemals Pollen per Laser vom Erdboden aus untersucht hat, gilt die University of Alaska in Fairbanks, die 2008 Daten zu den Pollenemissionen über den Wäldern Alaskas gesammelt hatte. 2013 berichteten Forscher des Gwangju Institute of Science & Technology (GIST) aus Korea und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) im Fachjournal Atmospheric Environment über Untersuchungen zu den optischen Eigenschaften natürlicher Pollen mit Hilfe eines Lasers der Wellenlänge von 532 Nanometern. Diese Studie war nach eigenen Angaben die erste Untersuchung dieser Art außerhalb Nordamerikas und ermöglichte durch ausgereiftere Lasermesstechnik auch qualitative Aussagen zu den Polleneigenschaften in der Luft. Pollen können bis zu einem Drittel der Gesamtmenge an Aerosolpartikeln ausmachen, die die optische Dicke, also das Maß für die Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre, beeinflussen. Sie haben daher nicht nur großen Einfluss auf die Luftqualität, sondern auch auf das Klima, schlussfolgerte das Team von GIST und TROPOS. Tilo Arnhold. (Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.)