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19.07.2023

Lucille Borlaza erforscht den Einfluss von Luftverschmutzung auf die Gesundheit

Ask an Academic Series - Wie Forscher unsere Daten nutzen

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Thomas Eldridge
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Für Forscher, die sich für Wetter- und Klimadaten interessieren, ist eine Quelle von ready-to-use Daten von unschätzbarem Wert, um den normalerweise mühsamen Prozess der Beschaffung und Bereinigung von Daten aus einer Vielzahl von Quellen zu umgehen. Wir bei Meteomatics sind begeistert von den innovativen Ideen, die Forscher bei der Nutzung von unseren Wetterdaten beschreiten, und unterstützen diese, wann immer es möglich ist.

Lucille Borlaza ist Forscherin im Bereich Luftqualität und lebt und arbeitet derzeit in New York. Während ihrer Arbeit als Postdoc an der Universität von Grenoble Alpes, Frankreich, untersuchte sie die Auswirkungen der Feinstaubbelastung auf die Gesundheit. In einer Arbeit mit dem Titel "Impact of COVID-19 lockdown on particulate matter oxidative potential at urban background versus traffic sites" untersuchte ihre Gruppe mit Hilfe von Meteomatics-Daten die Auswirkungen von Sperrungen auf die möglichen gesundheitlichen Folgen einer Reduzierung der Nutzung von kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen.

Luftverschmutzung und menschliche Gesundheit

Luftverschmutzung ist ein weit gefasster Begriff, der jedoch im Allgemeinen Stoffe bezeichnet, die durch menschliche Aktivitäten in die Umwelt gelangen. Schadstoffe können verschiedene Formen annehmen - fest, flüssig, gasförmig - und je nach ihrer physikalischen und chemischen Beschaffenheit unterschiedliche Auswirkungen haben. Der Schwerpunkt von Lucilles Arbeit lag auf Feinstaub, dem Sammelbegriff für eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Feststoffen verschiedener chemischer Arten, die klein genug sind, um in der Luft zu schweben und leicht eingeatmet werden zu können.

Das Vorhandensein von Feinstaub in der Atmosphäre ist von einer Reihe von Faktoren abhängig. Die Meteorologie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bildung, dem Transfer, der Ausbreitung und der Konzentration von Stoffen in der Atmosphäre. Die Stabilität der Atmosphäre, die Windverhältnisse und die Niederschläge haben hier besonders starke Auswirkungen. Diese Faktoren variieren sowohl auf saisonalen als auch auf täglichen Zeitskalen.

Ausserdem gibt es sowohl anthropogene (Verbrennung von Brennstoffen) als auch natürliche (Waldbrände) Quellen für Feinstaub, die beide auf saisonalen Zeitskalen variieren: im Winter wird beispielsweise mehr Brennstoff zum Heizen verbrannt, während Waldbrände häufiger im Sommer auftreten.

Die Studie von Lucille konzentriert sich auf das oxidative Potenzial (OP) von Feinstaub. Die verschiedenen Arten von Feinstaub haben unterschiedliche Toxizität, einige sind schädlicher als andere. Das OP ist definiert als die Fähigkeit von Feinstaub, reaktive Sauerstoffspezies zu erzeugen. Wenn dies in der Lunge geschieht, kann es zu erhöhtem oxidativem Stress kommen, der zu Entzündungsreaktionen und Zelltod führen kann. Mit dem OP-Wert lässt sich also nicht nur die Menge eines Schadstoffs quantifizieren, sondern auch seine Schädlichkeit für die menschliche Gesundheit. Lucille hofft, dass es den politischen Entscheidungsträgern helfen wird zu wissen, worauf sich die Bemühungen beim Umgang mit Verschmutzungsquellen konzentrieren sollten, um die beste Wirkung auf die Gesundheit zu erzielen.

In der Studie verglich Lucilles Team die Feinstaubkonzentrationen im Frühjahr 2020 mit historischen Daten und einem "Business as usual"-Fall. Die zu diesem Zeitpunkt aufgrund von COVID19 geltenden Beschränkungen boten eine einmalige Gelegenheit, die Auswirkungen deutlich reduzierter menschlicher Aktivitäten auf die Schadstoffkonzentrationen und deren Gesundheitsrisiken zu untersuchen.

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Rushhour im Hauptbahnhof von Bern, Schweiz.

Studienmethoden und -techniken

Lucille verglich zwei Standorte: einen in Grenoble, Frankreich, und einen in Bern, Schweiz. Der Standort in Grenoble war ein "städtischer Hintergrundstandort", da das Gebiet zwar bebaut und daher nicht frei von den Auswirkungen des menschlichen Verhaltens auf die Luftqualität ist, der Unterschied im Verkehrsaufkommen in der Umgebung des Standorts aufgrund der Sperrzeiten jedoch nicht signifikant war. Im Gegensatz dazu wurden die Beobachtungen in Bern an einem strassenseitigen Standort in unmittelbarer Nähe des Hauptbahnhofs gemacht, wo das Verkehrsaufkommen während des Untersuchungszeitraums deutlich reduziert war.

Die Studie vergleicht an jedem dieser Standorte die Schadstoffwerte des langjährigen historischen Durchschnitts für die jeweilige Jahreszeit mit den während der Sperrung erhobenen Messwerten. Da der Unterschied in der Schadstoffbelastung zwischen den beiden Standorten grösstenteils auf den Verkehr zurückzuführen war, konnten die Forscher so die Auswirkungen des Verkehrs auf die Luftqualität quantifizieren.

Lucilles Team erkannte, dass der Gesamttrend der Schadstoffe im historischen 20-Jahres-Datensatz rückläufig war und dass daher die Differenz zwischen den Schadstoffwerten während der Sperrung und dem historischen Mittelwert möglicherweise nicht die genaueste Darstellung der Auswirkungen der Verkehrsverringerung lieferte, da ein Teil der Auswirkungen dem Trend zugeschrieben werden konnte.

Sie beschloss daher, die Vergleiche zu wiederholen, dieses Mal mit einem "Business as usual"-Datensatz. Mit diesen synthetischen Daten wird versucht, das erwartete Verschmutzungsniveau an beiden Standorten ohne die Abriegelung zu erfassen, wobei der bestehende Trend berücksichtigt wird.

An dieser Stelle kamen die Meteomatics-Daten ins Spiel. Da jedes Jahr, auch das Jahr 2020, unterschiedliche Wetterbedingungen aufweist, konnte ein genaues "Business-as-usual"-Verfahren nur erstellt werden, wenn die Auswirkungen des Wetters auf die Schadstoffkonzentrationen berücksichtigt werden konnten. Zu diesem Zweck verwendete Lucille ein maschinelles Lernmodell namens "Random Forest" und eine Auswahl relevanter Wettervariablen. Sie trainierte das Modell anhand historischer Wetterbedingungen und der entsprechenden Beobachtungen und verwendete das Modell dann, um ihren "Business as usual"-Fall zu erstellen. Ich fragte Lucille nach ihren Erfahrungen mit der Verwendung von Meteomatics-Daten:

"Ich war mitten in meiner Analyse und mir wurde klar, dass ich das Modell erheblich verbessern könnte, wenn ich meteorologische Daten hätte, aber die Beschaffung von Meteomatics-Daten ist in der Wissenschaft nicht sehr einfach, es gibt so viele Schritte zu durchlaufen. Ich fand Meteomatics, nahm Kontakt auf, die Antwort kam sehr schnell, die zeitliche Auflösung der Metadaten ist wirklich gut und der Standort der Wetterdaten war genau dort, wo ich ihn brauchte"

Lucille borlaza
Lucille Borlaza
Aerosol Scientist
The State University of New York
Ich bin auf Meteomatics gestossen, habe mich gemeldet und umgehend eine Antwort erhalten. Die zeitliche Auflösung der Wetterdaten ist wirklich sehr gut und die Wetterdaten waren für alle meine gewünschten Standorte lückenlos verfügbar.

Ergebnisse

Wie erwartet, waren die Veränderungen der Feinstaubkonzentrationen im Jahr 2020 an den städtischen Hintergrundstandorten bescheiden, insbesondere im Vergleich zum "Business-as-usual"-Fall, was darauf hindeutet, dass die meisten der beobachteten Unterschiede dem bestehenden Trend zugeschrieben werden können. An dem verkehrssensiblen Standort waren die Unterschiede jedoch ausgeprägter. Statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Beobachtungs- und den "Business-as-usual"-Datensätzen wurden bei den Feinstaubkonzentrationen festgestellt.

Die Unterschiede bei der OP-Belastung sind im Vergleich zum "Business-as-usual"-Fall deutlich geringer.

Der Unterschied bei OP war schwieriger zu interpretieren. Eine der Herausforderungen besteht darin, dass das OP durch Beobachtung der Reaktion der Tests auf die Stoffe, denen sie ausgesetzt sind, gemessen werden muss und dass verschiedene Tests unterschiedlich auf die verschiedenen chemischen Spezies im Feinstaub reagieren, was bedeutet, dass die Ergebnisse je nach Quelle der Stoffe variieren können. Von den in dieser Studie verwendeten Tests reagierte einer empfindlicher auf die organischen Stoffe, die bei der Verbrennung von Holz entstehen, während der andere empfindlicher auf die Emissionen von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Motoren reagierte. Ein zentrales Ergebnis der Lucille-Studie war daher, dass zwar die Verringerung des Verkehrsaufkommens einen signifikanten Einfluss auf das Vorhandensein bestimmter Arten von Feinstaub in der Atmosphäre hat, dass aber andere Arten der Verschmutzung, insbesondere die aus der Holzverbrennung in Haushalten, immer noch erheblich zu den Gesundheitsrisiken beitragen.

Seit Abschluss dieser Studie ist Lucille nach New York umgezogen, wo sie an der State University of New York zu flüchtigen organischen Verbindungen forscht. Ihre derzeitige Forschung umfasst keine Arbeiten zu OP, aber sie ist sehr daran interessiert, es in Zukunft in ihre Arbeit einzubeziehen. Sie hofft, dass es innerhalb von drei bis fünf Jahren eine allgemein verwendete Metrik sein wird, wenn es um die Auswirkungen der Umweltverschmutzung geht, und äusserte ihr besonderes Interesse daran, die Metrik zur Untersuchung hochaufgelöster Zeitreihen von Verschmutzungsdaten zu verwenden, damit die genauen Ursachen der schädlichen Verschmutzung direkter verfolgt werden können.

Über die Universität Grenoble Alpes

Die Universität Grenoble Alpes ist eine öffentliche Forschungsuniversität mit Sitz in Grenoble, Frankreich. Sie wurde 1339 gegründet und ist die drittgrösste Universität Frankreichs mit etwa 60.000 Studenten und über 3.000 Forschern.

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