Fesselballonmesssystem zur Beurteilung der Luftqualität

Für die Beurteilung der Luftqualität eines Gebietes ist es sehr oft unerlässlich, die zeitliche Variation und die räumliche Verteilung der Luftverunreinigungen und der meteorologische Parameter zu kennen. Die folgenden Parameter beeinflussen entscheidend die Luftqualität innerhalb der atmosphärischen Mischungsschicht: Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Stabilität der Atmosphäre, Konvektion und die Existenz und die vertikale Ausdehnung von Temperturinversionen. Fesselballone sind geeignete Messsysteme, um die vertikale Verteilung und die zeitliche Variation der Luftverunreinigungen innerhalb der Planetaren Grenzschicht (PBL) zu bestimmen.
Fesselballonmesssysteme werden u.a. für Untersuchung folgender atmosphärischer Prozesse eingesetzt:

• regionale Windsysteme, z.B. Land-Seewindsysteme
• lokale Wind- und Strömungssysteme, z.B. Berg-Talwindsysteme, Hangwinde und Kaltluftflüsse
• lokale atmosphärische Phänomene, z.B. Auswirkungen von Inversionsschichten auf die Luftqualität
• chemische Reaktionen in der Troposphäre, z.B. Ozonbildung in der Abluftfahne einer Stadt
• Untersuchung von einzelnen Punktquellen, z.B. Abluftfahne eines Industrieschornsteins
• Untersuchung von diffusen Emissionsquellen, z.B. Abgasfahnen von Industriegebieten oder Abluftfahnen von Städten
• Bilanzierung von Luftverunreinigungen von Städten, Industriegebieten, Autobahnen usw., indem mehrere Fesselballonmesssysteme im Luv und Lee des Untersuchungsgebietes, in Kombination mit anderen luftgetragenen Messsystemen, zum Einsatz kommen

Das Fesselballonmesssystem besteht aus dem Ballon selbst, einem Seil, einer elektrischen Seilwinde, den Messgeräten und einer Bodenmessstation. Die Messgeräte sind unterhalb des Ballons in der Tackelage befestigt. Die Messungen finden kontinuierlich statt und die Messsignale werden kontinuierlich alle 10 Sekunden über die Telemetrieeinheit zur Bodenmessstation übertragen. Die Aufstiegsgeschwindigkeit des Ballons hängt von der Messstrategie und von der Anzeigeverzögerung der Messgeräte ab und kann zwischen sehr langsam und 60 m pro Minute variiert werden. Eine Sondierung, die aus Auf- und Abstieg besteht, dauert etwa zwischen 30 Minuten und 1,5 Stunden, abhängig von der maximalen Aufstiegshöhe und der Aufstiegsgeschwindigkeit. Es können kontinuierliche Vertikalsondierungen, z.B. jede Stunde eine Sondierung, über einen Zeitraum von mehrenen Tagen durchgeführt werden.

Als Ergebnis von Vertikalsondierungen erhält man Vertikalprofile der Messgrößen. Ein Beispiel von Vertikalprofilen ist weiter unten dargestellt. Die Sondierung wurde morgens um 9 Uhr MESZ gestartet und eine abgehobene Bodeninversion in ca. 200 m über Grund, führte zur Anreicherung von NO₂ und Partikeln im bodennahen Bereich unterhalb dieser Temperaturinversion und zu einem Abbau von Ozon, wogegen die Konzentrationen oberhalb der Inversion gegenläufig sind. 

Werden viele Vertikalsondierungen in Folge durchgeführt, so können die Ergebnisse in sogenannten Isoplethendiagrammen zusammenfassend dargestellt werden. Bei Isoplethendiagrammen ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Oridnate die Höhe abgetragen und zudem beinhaltet es Linien konstanter Messwerte. Dargestellt ist die zeitliche Änderung der Vertikalverteilung der Messgröße an einem Messort. Das unten stehende Beispiel gibt die zeitliche Änderung der Vertikalverteilung von NO₂ an einem Messort in Stuttgart wieder, wobei die Messungen vom 1. bis 3. April stattfanden. Die Anreicherung von NO₂ innhalb der nächtlichen Bodeninversion, die sich ab 20 Uhr ausbildet, kann man sehr deutlich erkennen. Ihre vertikale Ausdehnung beträgt ca. 250 m. Oberhalb der Temperaturinversion sind nur sehr geringe Konzentrationen von NO₂ vorhanden. Nach 12 Uhr löst sich die Temperaturinversion auf und gute vertikale Vermischung und Verdünnung der freigesetzten Luftverunreinigungen, mit niedrigen NO₂-Konzentrationen über die gesamte Messhöhe, können zwischen 13 und 20 Uhr beobachtet werden.