Die Wahrheit liegt in der Luft

Stickoxide aus der Satellitenperspektive – wenn Daten nicht halten, was sie versprechen.

Von Heinz Greuling, stellvertretender Redaktionsleiter, Science Media Center Germany (SMC) mit einem Bericht über die Technische Umsetzung der Satellitendaten von Meik Bittkowski, Leiter Softwareentwicklung und Datenwissenschaften, SMC Lab

Am Anfang stand ein Wunsch. Wir, das Science Media Center, wollten ein neues journalistisches Angebot entwickeln mit unserem Lab für »Augmented Science Journalism«. Ziel: Täglich eine interaktive Karte, wie es wirklich um die Luft bestellt ist in Deutschland. Mit einem unbestechlichen Blick aus dem All. Vielleicht eine App fürs Smartphone. Für jede und jeden täglich ein Zustandsbericht. Am Ende, anderthalb Jahre später, jedoch stand die Einsicht: Daten halten nicht immer, was sie versprechen.

 

Unsere Geschichte beginnt im Januar 2018. Die Idee tauchte ganz nebenbei auf. Bei einem Treffen mit dem Freiburger Professor Bruno Burger vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Es ging bei seinem Besuch in Köln in der Hauptsache um Burgers Energy-Charts, eine Seite für interaktive Informationen zu Stromprodukten und Preisen in Deutschland. Wir erwähnten, dass uns datenbasiertes Storytelling der Energiewende interessiere und eine App zur regionalen Luftqualität vorschwebte. Da fiel der Name zum ersten Mal: Sentinel-5P. 

1998 hatte die EU-Kommission beschlossen, mit Hilfe der Weltraumbehörde ESA eine ganze Flotte von Umwelt-Wächter-Satelliten in den Orbit zu schicken. Daher der englische Name: Sentinel, auf Deutsch: Wächter. »Europas Augen auf die Erde«, so das Motto dieser Mission. Diese Augen waren nicht nur auf die Klima- und Umweltsünden der »anderen« wie China, Indien oder Brasilien gerichtet. Nein, die Daten der Satelliten würden unbestechlich zeigen, wo es etwa in Großstädten durch Verkehr, die Energieerzeugung oder Industrieanlagen in einzelnen EU-Mitgliedstaaten im Argen lag. Der Clou: Die Daten sollten frei zugänglich für jeden sein.  

Konkret: Sentinel-5P würde voraussichtlich ab Ende Juni 2018 täglich Daten zur Stickoxidbelastung (NO2) senden. So die Information des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das war unsere Chance. Das SMC-Team war noch am Abend des Treffens von dieser Idee elektrisiert. Mit Satelliten-Daten schien die Idee für die App ganz greifbar. Sicher mit großem Einsatz, aber es schien möglich, datenbasierte Rechercheideen zur Energiewende liefern zu können. Und es war noch Zeit, das Nötige vorzubereiten, zu klären, wie die Satelliten-Daten abgegriffen werden können, wie sie dargestellt werden könnten auf interaktiven Karten.  

Das Thema Stickoxide lag sprichwörtlich in der Luft, bis heute. Der hitzige Streit über die Qualität der Luft in deutschen Städten. Stichwort Dieselskandal. Es drohten Fahrverbote in Städten wie Stuttgart. Standen die Mess-Stationen für Feinstaub oder Stickoxide NO2 an den »richtigen« Stellen? Was sind Grenzwerte wert, wenn sich wenige Zentimeter die »Mess«-Ergebnisse extrem verändern? Wie waren Grenzwerte wissenschaftlich zu begründen oder entsprangen sie übereifriger Willkür? Es ging hin und her. Am Stammtisch, in Zeitungen, in Talkshows. 

Greenpeace demonstrierte in Städten wie Stuttgart, klagte an, es passiere nicht genug zum Schutz der Stadtbewohner. Die Deutsche Umwelthilfe (DUH) errang Ende Februar einen entscheidenden Sieg: Richtungsweisend ging es als »Dieselurteil« in die Geschichte ein. Vor dem Bundesverwaltungsgericht hatte die Umwelthilfe erstritten: Städte wie Stuttgart müssten ihre Luftreinhaltepläne fortschreiben. Verkehrsverbote für Diesel seien zulässig, Kommunen dürften eigenständig Fahrverbote erteilen. Das leite sich ab aus der Verpflichtung Deutschlands, schnellstmöglich die Stickstoffdioxid-Grenzwerte aus der EU-Richtlinie über Luftqualität und saubere Luft umzusetzen.  

 Damit war auch die nähere Zukunft für uns als Wissenschaftsredaktion Schlag auf Schlag getaktet. Und nicht nur für uns. Ein Fahrverbot nach dem anderen drohte, bis zum Ende des Jahres, Stadt für Stadt. Die Termine vor den Verwaltungsgerichten reichten schon bis Ende November: Köln und Bonn, Gelsenkirchen, Düsseldorf, Darmstadt. Unsere Karte der NO2-Belastungen in Deutschland wurde dringender denn je. Tatsachen sollten auf den Tisch, täglich Informationen und Fakten, nicht Mutmaßungen.  

Am Tag der Verkündung des Dieselurteils meldete sich ein pensionierter Lungenfacharzt und emeritierter Professor zu Wort: Dieter Köhler. Die offiziellen Studien, auf denen die Grenzwerte beruhten, »sind eine der größten Seifenblasen, die es gibt.«   

Die Hoffnung 

In dieser Debatte versprach ein Satellit im Orbit genau das, was im Hin und Her auf der Erde gebraucht wurde: einen objektiven Abstand zum Problem. In einer Höhe von 824 Kilometern kreist Sentinel-5P seit Dezember 2017 elf Mal an einem Tag um die Erde, von Pol zu Pol, tastete die ganze Erde ab. Auf einem Logenplatz. Nicht nur wir sahen das so. Die »Neue Zürcher Zeitung« schrieb, man könne den Daten staatlicher Behörden nicht immer trauen. »Satelliten könnten helfen, die Daten zu prüfen, um so die Einhaltung klimapolitischer Abkommen zu überwachen.« 

Federführend für Bau und Koordination des Satelliten Sentinel-5P waren Niederländer, voran das Königlich-Niederländische Meteorologische Institut, kurz KNMI. Das Messgerät an Bord trug den Namen TROPOMI. Dieses Akronym steht für TROPOspheric Monitoring Instrument. Das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz (MPIC) war von Anfang an mit an der Auswertung der Daten beteiligt. Der MPIC-Newsletter titelte »Satellit läutet neue Ära ein« und führte dann aus: »Die Revolution: Der neue Umweltsatellit liefert Daten mit einer 10 bis 100-mal höheren räumlichen Auflösung als bisherige Instrumente. Damit ist es möglich, beispielsweise die Abgasfahnen einzelner Kraftwerke zu sehen.« Die Zeit von Jahresmittelwerten sei vorbei, nun gehe es hin zu Tageswerten. Das war genau das, was wir suchten. »Früher musste man längere Zeiträume, zum Beispiel ein Jahr, mitteln, um sich ein klares Bild von der Verteilung der Spurengase machen zu können. Heute sind bereits die TROPOMI-Messungen eines Tages von einer solch hohen Qualität, dass sie direkt genutzt werden können. Der neue Erdbeobachtungs-Satellit sendet nun täglich zur selben Uhrzeit globale Daten in hoher Auflösung und mit sehr geringem Rauschen.« 

Das DLR in Oberpfaffenhofen signalisierte, unser Projekt sei »sehr interessant« und dass wir die Unterstützung bekämen, die wir bräuchten. Die ESA hatte als Vorgeschmack auf die Qualität solcher Satelliten-Karten aus den allerersten Daten eine Europakarte mit NO2-Werten veröffentlicht. »Sentinel-5P nimmt die Luftverschmutzung in den Fokus«, so die Überschrift. Das Bild zeigte für einen Novembertag »wie stark die Luft mit Stickstoffdioxid belastet war. Verursacht wird diese Luftverschmutzung vor allem durch die Verbrennung fossiler Energieträger wie Erdöl oder Kohle in der Industrie und im Straßenverkehr, etwa durch Dieselmotoren,« so die Bildbeschreibung der ESA. Rot, sprich hochbelastet, deutlich zu sehen: das Ruhrgebiet oder die italienische Industrie-Zone in der Po-Ebene.  

Das SMC Lab begann sofort mit der Arbeit. Ende März war ein zweites Treffen mit Bruno Burger verabredet, diesmal in Freiburg. Bis dahin wollten wir die Fragen beantwortet haben, wie man an die täglichen Daten von Sentinel-5P kommt und sie auf einer Karte jeweils aktuell darstellen könnte. Das, und nicht nur das, sollte sich als trickreicher und komplizierter herausstellen, als gedacht.  

Zunächst mussten aus Geodaten darstellbare Karten erzeugt werden. Sentinel-5P überfliegt täglich Deutschland. Im Schnitt zwischen zwei- und viermal, jeweils in einem Zeitabstand von 100 Minuten. Weil sich die Erde unter dem Satelliten dreht, überschneiden sich beim Abtasten des Gesamtstreifens in einer Breite von etwa 2.600 Kilometern die Karten. Das Messgerät TROPOMI teilt dabei diesen Streifen in ein fein gerastertes Muster von rechteckigen Flächen der Größe von 7,0 mal 3,5 Kantenlänge je Kilometer ein. Zu jedem dieser Rechtecke gehören die geographische Koordinaten—und Messwerte wie die NO2-Konzentration.  

Mitte März hatten die Programmierer im SMC Lab einen Teil des Darstellungsproblems gelöst: Wie man im Prinzip auf einem beliebigen Ausschnitt auf einer Karte Deutschlands einzelne Rechtecke mit den entsprechenden Messwerten in einer beliebigen Farbskala erzeugen kann. Es stellte sich nun aber die Frage, wie die zeitlich verschiedenen Messungen auf einer einzigen Tageskarte zu vereinen wären. Denn die Rechtecke eines Überfluges deckten sich nicht mit den Rechtecken eines anderen Überflugs. Sie überlappten einander in einem komplizierten Muster. Wie sollte man daraus eine Karte erstellen? Durch Mittelwerte? 

Erste Erfolge 

Noch war Zeit, bis die ersten NO2-Messwerte vom Satelliten kommen würden. Anfang Dezember, anderthalb Monate nach dem Start am 13. Oktober 2017 von der russischen Raketenbasis Plessezk, waren nach und nach dem »first light« die anvisierten verschiedenen Messdaten der Luftqualität freigeschaltet worden. Für NO2 würde es, so unsere Informationen, Ende Juni 2018 soweit sein.  

Das DLR hatte uns eine NO2-Tageskarte für ein Quadrat in Bayern freigeschaltet. Sie stammten vom älteren Vorgänger-Satelliten GOME-2 und von Messwerten der Bodenstationen. Und zeigten die bis dato möglich darstellbare tägliche Luftqualität über Südbayern. Karten dieser Art und 1-Tages-Vorhersagen stellte auch für ganz Deutschland in Köln das Rheinische Institut für Umweltforschung an der Universität zu Köln (EURAD) zusammen, zu dem wir Kontakt aufgenommen hatten.  

So sollten auch die Karten aussehen, die wir erzeugen wollten. Im Team wurde eifrig diskutiert: Man konnte eindeutig die Metropole München ausmachen, zwei dicke rote Punkte waren zuerst nicht zuzuordnen. Es handelte sich um die Kraftwerke Zolling und das SWM Heizkraftwerk der Stadtwerke München. Die Karten waren skaliert in genau der Einheit, die in den Diskussionen in der Öffentlichkeit in aller Munde war. Die magische Zahl, »rot« markiert, war der Grenzwert für NO2 von 40 Mikrogram pro Kubikmeter (40 µg/m³). Diese Zahl und ihre Einheit, vor allem, was dahintersteckt, würde uns nun begleiten.   

Am 28. Juni kam endlich die Nachricht: Die ersten NO2-Daten würden freigeschaltet. Die Daten würden noch validiert, sprich: aufbereitet. Die Spannung im Team stieg. Und auch die Aufmerksamkeit in den Medien. Am Donnerstag, den 5. Juli, machte BBC news mit der Schlagzeile auf: »Eye in the sky gives polluters nowhere to hide« und zeigte die Macht der Daten und Bilder, die der Wächter-Satellit Sentinel-5P haben könnte. Am Beispiel anderer, schon aufbereiteter, aber noch nicht freigeschalteter Daten wie Schwefeldioxid SO2 wurden die Umweltfolgen aufgezeigt, weltweit, die bei der Verbrennung von Schwefelhaltigen Brennstoffen entstehen: Kohle etwa, aber auch Brände oder Vulkan-Explosionen. Beeindruckend etwa die Bilder, die beim Ausbruch des Kilauea auf Hawaii, von Sentinel-5P gemacht wurden. Die Macht der Bilder. Die BBC schloss mit dem Ausblick auf NO2-Daten. Eine Woche später meldete sich auch die Redaktion Quarks, die eine Sendung zu eben diesem Thema plane. »Ob denn schon Karten da wären, die man benutzen könnte…« 

Offene Fragen 

Dass die ersten Daten aus dem Orbit kämen, darüber berichteten die Medien. Eine Schlagzeile versprach: »Satellit kann Luftverschmutzung auf Stadtebene messen.« DLR und ESA teilten mit: »Having completed its commissioning phase Copernicus Sentinel-5P data is now available to all, free of charge. From policy makers and environmental agencies to scientists, users have access to data that ultimately help to better forecast and mitigate air quality problems.« 

Natürlich hatte unser Lab bereits erste Karten produziert, schon ab Juli. Das Problem der Mittelung der verschiedenen Werte für verschiedene Mess-Rechtecke war gelöst.  

Ungeklärte Fragen aber hielten die Redaktion zurück: die Qualität der Satelliten-Daten. Sie hing davon ab, ob es wolkenlos war über Deutschland, denn die Wolken verhinderten den Durchblick auf den Boden. Auch war offen, wie die Farbdarstellung auf den Karten zu wählen wäre. Das von den Wissenschaftlern stets gewählte Blau: »ungefährlich« bis zu Rot: »gefährlich« (also weit über dem Grenzwert) war suggestiv. Denn wurde tatsächlich in den Rot markierten Flächen der ominöse Grenzwert signifikant überschritten? So jedenfalls suggerierten es die Kartendarstellungen auf dem offiziellen EO Browser der ESA. 

Bis Anfang August hatte unser Lab die wesentlichen technischen Darstellungs-Probleme der Projektion der Satelliten-Daten auf Deutschlandkarten gelöst. Auch einen Vorschlag erarbeitet für eine adäquatere, nicht wertende Farbskala. Tag für Tag wurden von nun an, dem 8. August, automatisiert Karten erzeugt. Und luden Redaktion und das Team zum Studium ein. Daher waren etwa die Standorte der Kohlekraftwerke eigens markiert. Und tatsächlich: Da waren sie: die NO2-Abgasfahnen bei Kohlekraftwerken.  

Doch nun stellte sich direkt und bohrend die Frage: Was bedeuteten die Werte? In den Debatten, ob Grenzwerte überschritten wurden in den Städten, ging es um die Konzentration von NO2 am Boden, gemessen direkt durch Bodenmess-Stationen, in der Einheit einer Konzentration, also Masse pro Volumen. Der Grenzwert für NO2 wird beispielsweise in Mikrogram pro Kubikmeter (40 µg/m³) angegeben.  

Der Satellit allerdings misst erst einmal etwas anderes: die troposphärische NO2-Säulendichte. Daher auch der Name des Messgerätes: TROPOMI. Sentinel-5P schickt nicht etwa einen Messstrahl nach »unten« auf den Boden, mit dem er den Bodenwert erschließen könnte. TROPOMI ist ein Spektrometer. Genauer ein Absorptions-Spektrometer. Damit bestimmen Physiker selbst winzige Mengen eines Gases, etwa NO2, dadurch, wie stark ein Referenz-Lichtstrahl dieses Gas absorbiert. Der Referenzstrahl bei Sentinel-5P ist die Sonne, die die Erde beleuchtet. Also kann Sentinel nur am Tage messen. Je mehr der vom Boden reflektierte Strahl absorbiert wird, desto mehr NO2 befindet sich zwischen Boden und Satellit. Also misst Sentinel-5P im Prinzip die Menge von NO2, die sich in einer Säule vom Boden bis zum Satelliten hoch oben befindet und das bezogen auf die Fläche, die der Auflösung entspricht: sprich 7,0 mal 3,5 Quadratkilometer. Weil die Höhe der Säule bis in die Troposphäre reicht, heißt dieser Messwert troposphärische Säulendichte (VCD, vertical column density). Und diese VCD-NO2-Werte haben die Einheit einer Flächendichte, also Moleküle NO2 pro Fläche. Stellt sich die berechtigte Frage: Wie hängen Bodenwert und Säulendichte überhaupt zusammen?  

Wäre NO2 nicht ein flüchtiges Gas und würde es nicht ausschließlich in Bodennähe erzeugt, lautete die Antwort: nein. Doch Stickstoffdioxid zersetzt und verflüchtigt sich in der Atmosphäre, je nach Temperatur, Druck- und Windverhältnissen in zwischen zwei und sechs Stunden. Und: NO2 wird ausschließlich in Bodennähe erzeugt, etwa durch Verbrennen fossiler Kraftstoffe. Es ist also so, als würde ein Beobachter (der Satellit) von Weitem (im Orbit) Rauch über einem Wald ausmachen (die VCD-Säulendichte an diesem Ort). Er schließt, dort, wo die Rauchschwaden aufsteigen, brennt es (der Bodenwert).  

Es ist auch klar: Je genauer man lokale und dynamische Wetterverhältnisse und Daten über die Infrastruktur (Bevölkerungsdichte, Verkehrsaufkommen, Kraftwerke und so weiter) einfließen lässt, desto besser ist der Rückschluss von der Säulendichte auf die Bodenwerte und die mögliche Exposition der Bevölkerung an diesem Ort. Solche Modelle werden »land use regression models« LUR genannt und sind äußerst komplex. Aber im Prinzip bleibt es ein mehr oder weniger guter Rückschluss. Genau diese aufbereiteten Daten liefert die ESA für NO2. 

Dass Säulen- und Bodenwerte also korreliert, auch kausal verbunden sind, schien klar. Sonst wären alle Aussagen zu Beginn der Sentinel-5P-Mission nur leere Versprechen gewesen. Doch wie sah die Korrelation genau aus? Wissenschaftler hatten in Publikationen diese Korrelation in verschiedenen Ländern und Regionen (dicht bevölkerte, städtische Regionen gegenüber Landregionen) bestimmt, für ähnlich arbeitende Satelliten wie etwa OMI, den Vorläufer von TROPOMI. Auch wir hatten diese Arbeiten gefunden und unseren Einordnungen zu Grunde gelegt.  

Wir beließen es bei einem Kompromiss. Wir verwendeten weiter für unsere Karten die VCD-Säulendichte, vor allem, um zu sehen, wann Extremwerte erreicht wurden und würden damit die Farbskalierung eichen. Auch das DLR riet zur Vorsicht, auf Bodenwerte zu schließen. Experten von Institutionen, die vorher die nie dagewesene Qualität und den Quantensprung gepriesen hatten, dass endlich statt Mittelwert-Karten nun Tageskarten zur Verfügung stünden, antworteten entweder ausweichend oder rieten nun zur Vorsicht, »eine Zuordnung von ‚Fahnen‘ gerade zu Autobahnen oder Flughäfen ist derzeit noch nicht zweifelsfrei möglich.« Sie rieten wieder zu Mittelwert-Karten. Warum gerade jetzt diese Vorsicht, als die hitzigen Diskussionen um die Braunkohle und die Auseinandersetzungen im Hambacher Forst, der Streit in der Kohlekommission und das Ringen um einen Ausstieg aus dem Verfeuern fossiler Brennstoffe die Medien beherrschten?!  

Bittere Wahrheit 

Andere zögerten nicht, die ersten offiziellen ESA-Karten zu nutzen. So wurden auf Tweet-Accounts etwa am wolkenlosen, heißen 5. Oktober die NO2-Werte von Sentinel-5P rund um die rheinischen RWE-Kohlekraftwerke diskutiert. Zu sehen eine riesige rote Fläche vermeintlich hoher Konzentration von den rheinischen Kohlekraftwerken in einer breiten Front nordwestlich hoch bis in die Benelux-Staaten. Der Wind stand damals nordwestlich. Es lag auf der Hand zu vermuten, die NO2-Werte über den Niederlanden könnten von Deutschland herrühren.  

Bei einer Windgeschwindigkeit von 30 Kilometern pro Stunde und einer Lebensdauer von NO2 bis zu sechs Stunden könnten diese »Fahnen« allerdings höchstens 180 Kilometer nordwestlich reichen. Die Küste Hollands allerdings ist weiter, und die rote Fläche ragte noch viel weiter über die Küste in die Nordsee hinein. Das konnte es also nicht sein. Auch fragten sich Tweeter, wie wir, was die roten Werte bedeuten würden, ausgedrückt in den Einheiten für den maßgeblichen Grenzwert für NO2.  

Unsere Karten zeigten die Situation besser, so, wie sie war. Die Darstellung im frei zugänglichen EO Browser war ein Artefakt. Der Browser stellte – und stellt immer noch – ab einem Wert oberhalb von einem Schwellenwert von 10-4 mol pro m2 alles als »rot« dar. Umgerechnet auf Bodenwerte dürfte aber – mit Vorsicht und beruhend auf unseren Schätzungen für den Zusammenhang zwischen Boden- und Säulenwerten – dieser Schwellenwert einem Drittel oder einem Viertel des Grenzwerts entsprechen (10 bis 15 µg/m³). Der Vergleich beider Karten zeigt deutlich: Die Spitzen von NO2 wurden im dicht besiedelten, hochindustrialisierten Rhein-Ruhr-Gebiet erreicht.  

Ab Oktober stellte unser SMC Lab routinemäßig Karten zur Verfügung, auf denen nicht nur die Sentinel-5P NO2-Werte verzeichnet waren, mehr noch: die Stundenmittelwerte aller Bodenstationen Deutschlands zum Zeitpunkt des Überflugs des Satelliten, die Positionen der Kraftwerke und ihre Leistungsdaten an diesem Tag. Dazu wurde der mit der Säulendichte korrelierte Bodenwert angegeben als Vergleich. Für die regionalen Messstationen zeigte sich eine gute Übereinstimmung, wie es auch Forschungen vorher gezeigt hatten. Die Werte für die Städte und Industrie-Gebiete allerdings waren tendenziell niedriger als die Bodenstationen angaben. Und fast nirgendwo wurden in einzelnen Regionen die Grenzwerte überschritten, wenn unsere Berechnungen zur Korrelation zwischen Säulen- und Bodenwert stimmten. Wir hatten auch die Tagesrhythmik der Gesamtheit aller Bodenwerte nachvollziehen können, differenziert für Land-, Verkehrs- und Industriebereiche. Nachts um drei Uhr sind die NO2-Werte gering, steigen mit dem Berufsverkehr auf ein Zwischenhoch gegen 8 Uhr, sinken dann wieder und erreichen einen maximalen Wert gegen 18 Uhr. Ausgerechnet also zum zweiten Minimum zwischen 13 und 14 Uhr überfliegt der Satellit Deutschland und misst. Fünf Stunden später wird der um den ungefähren Faktor 2 höhere Maximalwert am Tag erreicht.   

Die Forscher des KNMI und Belgische Kollegen hatten selbst  NO2-Messkampagnen in Großstädten des Benelux durchgeführt und zum Schluss sogar in Berlin. In einem flächendeckenden Überflug mit einer Cessna wurden die NO2–Säulendichte gemessen und mit den Bodenwerten verglichen. So zuletzt mit einem TROPOMI-baugleichen Gerät. Es hat eine wesentlich höhere Auflösung von 1 mal 1 Quadratkilometern. 

Auf der ESA-Konferenz »atmos 2018« in Salzburg im November bestätigten dort unsere Gespräche mit den für Sentinel-5P verantwortlichen Forschern: Sie hielten sich mit klaren Aussagen zur NO2-Konzentration am Boden zurück. Verglichen mit den Versprechen ein Jahr zuvor, welche Informationen gerade für Städte möglich würden – ernüchternd. Beeindruckend allerdings Vorträge, wie mit einfachen Mitteln – einer Vielzahl von relativ billigen Bodenmessgeräten – und komplexen LUR Modellen in Städten wie Oslo und München eine sehr gute Karte der NO2–Belastung mit Satelliten-Daten kombiniert werden könnte. Stellte sich die Frage: Wie sollten wir im SMC Lab nun weiter vorgehen?!  

Greenpeace hatte inzwischen eine Weltkarte mit NO2-Werten veröffentlicht. Sie war aber eine Mittelwert-Karte und keine Tageskarte. Später dann Innenstadtkarten deutscher Metropolen, die allerdings auf keine Satelliten-Daten zurückgriffen. »Die Karte zeigt aktuelle offizielle Modellierungsdaten der jeweiligen Städte – keine Messergebnisse,« so der Erklärtext. »Die Modellierungen haben die zuständigen Behörden in Auftrag gegeben. Sie beruhen auf den neuesten verfügbaren Daten zum Verkehrsfluss, der Bebauung, den vorherrschenden Witterungsbedingungen sowie den Ergebnissen der Luftmessstationen.« Wie genau diese Karten waren, war auch klar: »Da die Modellierungen die Nebenstraßen nicht berücksichtigen, kann deren Belastung in der Karte nicht dargestellt werden.« 

Ein weiteres Problem: Unsere Tages-Karten wurden zunehmend schlechter, denn im Winter werden die wolkenlosen Tage rar. Der Sentinel-5P Satellit erblindete ausgerechnet zu einem Zeitpunkt, wo seine Wächterfunktion am dringendsten gebraucht worden wäre.  

Der Schlussstrich 

Das neue Jahr 2019 begann mit einem Paukenschlag in Sachen Fahrverbote und Grenzwert-Debatte. Am späten Montagabend, 7. Januar, sendete die ARD die Dokumentation des NDR »Das Dieseldesaster«. Dort wiederholte der NO2-Grenzwert-Kritiker Professor Dieter Köhler seine Einwände gegen Sinn und Höhe der Grenzwerte. Es folgten fast täglich Berichte, Interviews im »Heute Journal«, schließlich Auftritte in Talk Shows wie »Hart aber fair« oder bei »Anne Will«. Der emeritierte Professor stellte Behauptungen auf, die ohne wissenschaftliche Belege waren. Und weitgehend oder zu lange unwidersprochen blieben. Jetzt wäre die Gelegenheit gewesen, die Situation in Deutschland zu zeigen und wo Handlungsbedarf wäre und wo nicht.  

Also beschlossen wir, alles noch einmal auf den Prüfstand zu stellen. Wir wollten die Korrelation zwischen Bodendaten und den Satelliten-Säulendichten – so gut es geht – selbst bestimmen. Auf den Karten, die wir freigeben könnten, müsste zumindest ein Schätzwert stehen, den wir mit gutem Gewissen vertreten könnten. Nur so könnte man nachvollziehen, wo und in welcher Größenordnung NO2-Konzentrationen bedenklich werden könnten.  

Dabei sollte ebenso klar vermittelt werden: Die Werte des Satelliten waren gewonnen aus Flächendichten – also Mittelwerten über eine Fläche von 25 Quadratkilometern. Damit wären schnelle Rückschlüsse auf kleinere Stadtstrukturen wie Autobahnen, Straßen oder Flughäfen nicht ohne weiteres möglich. Nur, wenn man komplexe LUR Modelle mitberücksichtigen würde. Je höher Verursacher wie Kraftwerke oder Industrieanlagen allerdings in dieser Fläche NO2 freisetzten, desto extremer würde das diesen Flächenmittelwert erhöhen.  

Mitte Februar bestätigten sich unsere früheren Annahmen. Wir hatten insgesamt fast fünfzig wolkenfreie Tage über Deutschland im Sommer, Herbst und Winter 2018/2019 ausgewählt und ausgewertet. Den Korrelationswert, den Proportionalitätsfaktor, den wir dabei fanden, lag genau in dem Bereich, den Wissenschaftler in früheren Veröffentlichungen zu diesem Thema ermittelt hatten. Mit einer Güte, die in derselben Größenordnung lag und nur verbessert werden würde, wenn man dynamische Wetterdaten und infrastrukturelle Gegebenheiten wie die Mobilität oder industrielle Verbrennungsstandorte oder Kraftwerke einbezog. Genau diese komplexen Modellierungen überstiegen nun aber unsere Möglichkeiten.  

Bei einem Besuch beim Luftqualitäts- und Emissions-Experten Franz Rohrer im Forschungszentrum Jülich trugen wir unsere Überlegungen und Vorbehalte vor. Er erläuterte, wie komplex die Dynamik der NO2-Emissionen in einem typischen städtischen Ambiente von Straßen, Häusern und Verkehr sei und wie schwer und wie sensibel belastbare Aussagen über die Konzentrationen zu machen seien. Er riet davon ab, von NO2-Satelliten-Daten alleine auf Bodenwerte in Städten zu schließen. Worauf es ankäme, wäre das Problem zu lösen, wieviel Verkehr genau reduziert werden müsse, um das NO2 an den kritischen Orten unter den Grenzwert zu senken. Das sei allerdings leicht zu berechnen und abzuschätzen. Auch ohne Hilfe von Satelliten-Daten. Mobile Messwagen könnten die Hotspots in Städten sehr schnell und leicht bestimmen. Radfahrer oder Insassen in den Autos seien oft höheren Konzentrationen ausgesetzt als an den Messstationen. Er verwies auf mobile Messungen im laufenden Straßenverkehr, bei denen sich herausgestellt hatte: Nur wenige Fahrzeuge verursachten einen Großteil der Emissionen, darunter abgasmanipulierte Lastkraftwagen.  

Danach war klar: Wir beenden unser erstes Satelliten-Projekt, geben vorerst den Plan auf, eine mobile App anzubieten mit tagesaktuellen NO2-Werten für ganz Deutschland. Wie geht es in Zukunft weiter? Forscher versprechen nun bereits die nächste Generation von Umweltbeobachtungssatelliten, die wiederum präziser messen sollen als bisher technisch möglich. Wir im SMC Lab stehen bereit, sofern sich neue Erkenntnisse ergeben, die eine sinnvolle Erdbeobachtung für Datenjournalisten auch in Europa ermöglichen, um damit öffentliche Debatten zu befördern. 

Ein Fazit  

Uns wurde spät, nicht zu spät klar, Satteliten-Karten wie die unseren würden für die aktuellen Diskussionen in den Städten nicht hilfreich sein. Jedenfalls nicht in den Fragen, die in der öffentlichen Debatte in Deutschland relevant sind. Die NO2-Werte des Umweltsatelliten sind hochkomplex aufbereitet und lassen in der mangelnden Auflösung nur bedingt Rückschlüsse auf neuralgische Punkte vor allem in Ballungszentren zu. Gerade hier lassen sich Verkehr, Industrie und Energieerzeugung nicht sauber trennen. Selbst die mutmaßlichen Abgasfahnen der Braunkohle-Kraftwerke im Westen und in Osten lassen sich nicht wirklich auf Bodenwerte beziehen, die für die menschliche Gesundheit relevant wären. Zudem bleibt rätselhaft, wieso die Braunkohlekraftwerke im rheinischen Braunkohlerevier höhere Stickstoffdioxid-Signale erzeugten als die in der Lausitz. 

Aussagekräftiger als anfechtbare Extrapolationen und aufbereitete Daten wären wesentlich mehr Messungen vor Ort, am Boden. Ein dichteres Netz von Bodenstationen wäre in der besseren Auflösung wesentlich überzeugender. Städte wie Oslo machten es vor.  

Hilfreich dagegen sind Umweltsatelliten wie Sentinel-5P mit Karten und Daten von Orten, wo keinerlei Bodenstationen je hinkommen könnten oder kommen: auf dem Meer etwa. Die Bilder von den NO2-Fahnen der Riesendampfer auf dem Mittelmeer oder auf der Nordsee sind beeindruckend und zeigen, wo große Umweltverschmutzer unterwegs sind. Beklemmend sind die Luftverschmutzung in den Industriegebieten indischer Megastädte. Beklemmend die NO2-Fahnen, die man entlang der Sibirischen Pipelines ausmachen kann. 

In der Debatte um die Qualität der Luft in unseren Städten in Europa allerdings helfen die Umwelt-Wächter aus dem All nicht. Noch nicht. Bis es soweit ist, könnte es vielleicht schon zu spät sein. 

 

Technische Umsetzung der Satellitendaten im SMC Lab 

von Meik Bittkowski, Leiter Softwareentwicklung und Datenwissenschaften, SMC Lab 

 

Für die Tageskarten fragen wir täglich sogenannte Level-2-Daten (das sind für die direkte Weiterverwendung durch Dritte aufbereitete Messdaten des Satelliten) über einen Service ab, der von Copernicus bereitgestellt wird. Wir schränken die Suche nach den Daten durch einen Zeitraum, einen geographischen Bereich (über ein grobes Polygon für Deutschland) und einen Produkttyp (NO2, Level-2) ein. Für jedes Zeitfenster im Suchzeitraum, für das der Satellit Daten in Deutschland NO2 gemessen hat, bekommen wir so eine Datei im NetCDF-Format. 

Das Network Common Data Format (NetCDF) ist ein Dateiformat für den Austausch wissenschaftlicher Daten. Es ist ein binäres Dateiformat, das sich über Metadaten im Header selbst beschreibt. Die Daten selbst liegen in ein- oder mehrdimensionalen Arrays vor. Die Level-2-Daten für S–5P werden zudem ausführlich in einem Handbuch beschrieben. In Python lassen sich NetCDF-Dateien einfach mit der Bibliothek xarray einlesen. 

Interessant für unser Projekt sind natürlich vor allem die gemessenen Werte für NO2 in mol/m^2. Diese sind mit mehreren Werten verknüpft: etwa mit Geokoordinaten und mit einem Qualitätsindikator (von 0.0 bis 1.0), der die Güte eines Messwertes abschätzt. So wirkt sich beispielsweise eine dichte Bewölkung negativ auf den Qualitätsindikator aus. Für die Datenaufbereitungen, die für die Veröffentlichung verwendet werden sollen, empfiehlt die ESA einen Qualitätsindikator von 0.75 oder größer. Die Geokoordinaten für einen Messwert geben einen Messpunkt an. Uns interessieren aber die Flächen, für welche die Messwerte bestimmt wurden. Diese Messrechtecke lassen sich über Hilfsdaten, die in den Datensätzen enthalten sind, leicht rekonstruieren. 

Für die Abbildung der Messwerte auf einer Karte wird zunächst jedes Überflugsfenster in einen GeoDataFrame mit den gemessenen NO2-Werten je Messrechteck überführt. Dabei werden 

• die Messwerte entfernt, für die der Qualitätswert zu niedrig ist,
• die Messwerte entfernt, die außerhalb einer bounding box für Deutschland liegen (manche Suchergebnisse sind Überflüge, die das verwendete Deutschlandpolygon nur streifen – ein Großteil der Messwerte liegt also nicht in Deutschland und soll nicht auf unserer Karte abgebildet werden, 
• die Messrechtecke für die Messwerte erstellt,
• die Messwerte von mol/m^2 auf 10^6 mol/m^2 skaliert.

Die GeoDataFrames werden als GeoJSON-Dateien exportiert und als Layer in eine mit Folium erzeugte leaflet.js Karte eingebunden. Jedes Überflugsfenster wird so zu einem separaten Layer in der Karte und kann zu– oder abgewählt werden.  

Die Einfärbung der Messrechtecke auf der Karte geschieht über eine lineare Abbildung auf eine für den Wertebereich von 0 bis 500 10^6 mol/m^2 NO2 normalisierte Farbskala von Gelb über Orange zu Rot. Dadurch werden die Farbwerte über die Tage vergleichbar und wir erzeugen keine »Fehlalarme« durch eine Rotfärbung der Tagesmaxima. 

Für die Durchschnittskarten werden Mittelwerte aus mehreren Tageskarten berechnet. Dazu wird ein regelmäßiges Koordinatengitter (mit Abständen von 0.15 Grad) über Deutschland gelegt. Für jeden Messwert jeder verwendeten Tageskarte wird dann festgehalten, in welche Zelle des Koordinatengitters er fällt. Mit diesen Daten kann dann ein einfacher Durchschnitt über die Messwerte in jeder Gitterzelle gebildet werden. 

Durchschnitt_Gitterzelle = Summe(Messwerte_Gitterzelle) / Anzahl(Messwerte_Gitterzelle). 

Möchte man berücksichtigen, wie viele Messwerte überhaupt den einzelnen Gitterzellen zugeordnet wurden, kann der einfache Durchschnitt wie folgt gewichtet werden: 

Gewichteter Durchschnitt_Gitterzelle = Durchschnitt_Gitterzelle * (Anzahl(Messwerte_Gitterzelle) / Maximale Anzahl von Messwerten in einer Gitterzelle).

Fazit: Das SMC Lab konnte in diesem Projekt Kompetenzen im Umgang mit den Level-2-Daten im NetCDF-Format aufbauen. Wir beherrschen nun das Handwerkszeug, um Messwerte von Satelliten auf interaktiven Karten im Webbrowser darstellen zu können. Damit sind wir technisch für das nächste Datenprojekt gewappnet – wenn es gilt, einen schnellen Überblick über die Verteilung von Messwerten in Deutschland oder in anderen Teilen der Welt zu gewinnen. 

Wir teilen gerne unsere Erfahrung im Umgang im Satellitendaten mit Ihnen und unterstützen Sie gerne in Ihrem journalistischen Datenprojekt, wenn sie Satellitendaten darstellen wollen!