Ein weißer Transporter fährt nachts über eine Kreuzung. Von seinem Dach steigt ein dünner grüner Laserstrahl senkrecht in die Dunkelheit. Es wirkt wie eine Szene aus einem Science-Fiction-Film, doch hinter solchen Messfahrzeugen steckt eine sehr praktische Anwendung: sichtbar zu machen, wo Schadstoffpartikel in der Luft schweben.
China nutzt mobiles Lidar, um die Atmosphäre unterwegs zu untersuchen. Damit können Forscher auch über Straßen und Wohnviertel blicken, wo gewöhnliche Messstationen am Boden nur einen Teil der Geschichte erzählen. Die Technik liefert gewissermaßen einen Querschnitt der Luft: In welcher Höhe befinden sich Partikel, wie verändern sich diese Schichten und wohin zieht die Verschmutzung?
Ein Radar, das Licht nutzt
Lidar steht für Light Detection and Ranging. Das Prinzip ähnelt dem Radar, doch das Gerät sendet Lichtimpulse statt Radiowellen aus. Ein kleiner Teil dieses Lichts wird von Luftmolekülen und Schwebeteilchen zurückgeworfen. Ein Teleskop fängt das zurückkehrende Signal auf, empfindliche Detektoren zeichnen es anschließend auf.
Indem das System die Zeit zwischen Aussenden und Empfangen misst, berechnet es die Entfernung zu den Partikeln. Bei einem nach oben gerichteten Strahl zeigt das, in welcher Höhe sie sich befinden. Die NASA beschreibt dieses Prinzip für ihr Netz kompakter Messlaser, die mit kurzen Impulsen Wolken und Aerosole kartieren.
Aerosole sind winzige feste Teilchen oder Tröpfchen, die durch die Luft schweben, etwa Staub, Rauch und Meersalz. Die Menge des zurückgestreuten Lichts gibt Aufschluss über ihre Verteilung. Mit zusätzlichen Messkanälen können Forscher auch Hinweise auf die Eigenschaften der Partikel gewinnen.
Warum ist der Strahl grün?
Viele atmosphärische Lidare arbeiten unter anderem mit Licht um 532 Nanometer, einer Wellenlänge im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Die NASA nutzt solche Messkanäle etwa neben Infrarotlicht, um Verbreitung und Eigenschaften von Partikeln zu untersuchen. Die genauen Wellenlängen unterscheiden sich je nach Instrument.
Ein Teil des Laserlichts wird unterwegs seitlich gestreut. Dadurch kann eine Kamera den Strahl als Linie festhalten, besonders vor einem dunklen Nachthimmel. Der sichtbare Strahl ist also nur der auffälligste Teil eines Messvorgangs: Die nützliche Information steckt im schwachen Licht, das der Empfänger zurückbekommt.
Aus einer grünen Linie allein lässt sich nicht ablesen, wie sauber die Luft ist. Dafür braucht es die Messungen und ihre Auswertung. Auch macht eine einzige Lichtfarbe ein Gerät noch nicht fähig, jeden Schadstoff einzeln zu erkennen. Lasertyp, Empfänger und Analysemethode bestimmen, was das System messen kann.
Eine Messstation, die zur Verschmutzung fährt
Der Vorteil eines Transporters ist seine Bewegungsfreiheit. Eine feste Station verfolgt, was an einem Ort geschieht. Ein mobiles Lidar kann unterwegs verschiedene Gebiete vermessen und Unterschiede zwischen Orten sichtbar machen. Zusammen liefern sie mehr Informationen über die Ausbreitung von Luftverschmutzung als ein einzelner Messpunkt.
Die Chinesische Akademie der Wissenschaften meldete im März 2019, dass Forscher des Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics solche Systeme entwickelt und zur Marktreife gebracht hatten. Die fahrzeuggestützte Ausrüstung sollte schnell Profile regionaler Verschmutzung erfassen und deren Entstehung, Auflösung und Verlagerung untersuchen.
Schon damals war das mehr als ein Laborversuch. Rund um den BRICS-Gipfel in Xiamen im September 2017 kombinierten Forscher mobiles Lidar mit festen Messpunkten und anderen optischen Instrumenten. Unter anderem untersuchten sie, wie Verschmutzung aus umliegenden Gebieten herangetragen wurde. Für Feinstaub und Ozon nutzten sie unterschiedliche Messmethoden.
Auch die Luft über einer Stadt zählt
Gerade diese Höheninformation macht Lidar interessant. Eine Verschmutzungsschicht über der Stadt kann an einem Messpunkt auf der Straße vorbeiziehen. Durch Messungen in verschiedenen Höhen und an verschiedenen Orten erhalten Forscher ein besseres Bild der Luftmassen, die ein Gebiet erreichen oder verlassen. Das hilft, Muster zu verstehen, die sich mit einzelnen Bodenmessungen schwer erklären lassen.
Der spektakuläre grüne Strahl hat damit einen nüchternen Zweck: Luftverschmutzung räumlich abzubilden. Der Transporter verwandelt eine gewöhnliche Fahrt in eine Messroute und macht etwas sichtbar, das man vom Gehweg aus kaum beurteilen kann. Über der scheinbar leeren Straße hängt eine ganze Welt an Informationen.
