Sinds begin dit jaar is een reeks instrumenten hard aan het werk om een breed spectrum aan aërosolen te detecteren op het weerstation MeteoSwiss in Payerne, Zwitserland. Dit baanbrekende project – een gezamenlijk initiatief van het wetenschappelijk en technologisch instituut EPFL, het Zwitserse Federale Bureau voor Meteorologie en Klimatologie en Europese partners – heeft als doel de voorspelling van pollen te verbeteren en meer inzicht te krijgen in de cruciale invloed die bioaërosolen, rook en stof hebben op wolkenvorming en klimaat, aldus de EPFL in een persbericht.
- Een reeks instrumenten detecteert een breed spectrum aan aërosolen.
- Het project onderzoekt de oorzaken van allergieën, zoals pollen, maar richt zich ook op het detecteren van onder andere de rook van bosbranden.
Mensen met hooikoorts zijn maar al te goed bekend met de pollenkaarten van het Zwitserse Federale Bureau voor Meteorologie en Klimatologie (MeteoSwiss) en hun rode en gele tinten. Deze voorspellingen spelen een belangrijke rol bij het nemen van volksgezondheidsmaatregelen, vooral nadat Zwitserland dit voorjaar te maken kreeg met recordhoge pollentellingen. In een poging om gedetailleerdere en nauwkeurigere prognoses te ontwikkelen, werden begin dit jaar verschillende nieuwe instrumenten geïnstalleerd in het station voor de hogere luchtlagen van Payerne. Dit is de eerste keer dat dergelijke instrumenten tegelijkertijd zijn ingezet.
Naast het detecteren van een breder scala aan pollensoorten dan in bestaande studies – deels dankzij het pionierswerk van de wetenschappers op het gebied van verticale-laser teledetectiesystemen – onderzoekt dit project ook andere oorzaken van allergieën en oxidatieve stress zoals schimmelsporen, bacteriën, stof en de rook van bosbranden, evenals methoden om pollenprognoses en wolkenvorming te verbeteren.
LiDAR-systeem voor 3D-metingen
Er werd een LiDAR-systeem opgezet dat bestaat uit een UV-laser gekoppeld aan een ontvangertelescoop en elektro-optische instrumenten. Samen detecteren deze technologieën het licht dat gereflecteerd wordt door deeltjes, in realtime. En ‘s nachts pikken ze de “gloed” op die door de laser wordt gegenereerd wanneer deze deeltjes raakt. Het resulterende kleurenspectrum dient als een unieke “digitale vingerafdruk” die de aanwezigheid van pollen, schimmelsporen en bacteriën in de lucht, evenals rookdeeltjes en stof, aangeeft door middel van op fluorescentie gebaseerde detectie. Er zijn momenteel wereldwijd slechts vier van dit soort instrumenten in gebruik en ze zijn allemaal nog zeer experimenteel; dit nieuwe instrument is het meest geavanceerd.
Machine learning en aerosolanalyse
Op het dak van het weerstation van Payerne bevinden zich vele andere instrumenten. Ze worden in de gaten gehouden door Sophie Erb, een promovendus bij MeteoSwiss en EPFL’s Environmental Remote Sensing Laboratory, en Kunfeng Gao, een postdoc bij LAPI. Erb houdt een camera in de gaten die tot tien keer per seconde foto’s maakt van stuifmeelkorrels en schimmelsporen. Na verwerking worden de 3D-beelden ingevoerd in een machine, die getraind wordt om te identificeren van welk type organisme de deeltjes afkomstig zijn, wat helpt om kaarten met pollenverwachtingen te verbeteren.
Gao meet ondertussen de concentraties van verschillende aërosolen die gevangen zitten in een klein flesje stromend water dat bekend staat als een “natte cycloon”. Deze methode is te verkiezen boven een filter omdat het stof en andere onoplosbare deeltjes kan verzamelen zonder gevoelige biologische deeltjes zoals bacteriën te vernietigen. De deeltjes worden vervolgens ingevroren zodat wetenschappers hun chemische en genomische samenstelling kunnen analyseren en kunnen bepalen hoe de deeltjes de menselijke gezondheid beïnvloeden. Deze informatie werpt ook een belangrijk licht op het proces van ijsvorming in wolken – en dus op neerslag.
Rook van bosbranden
Het nieuwe LiDAR-systeem kan ook de bron van de deeltjes identificeren en de hoeveelheden in de lucht in realtime meten. In mei en juni registreerde het instrument bijvoorbeeld hoge niveaus van rookdeeltjes afkomstig van de bosbranden in Canada en de Verenigde Staten. “De impact van deze aerosolen op de gezondheid wordt enorm onderschat”, zegt Nenes, die het project leidt. “Daarom is het zo belangrijk om tot op de bodem uit te zoeken wat er echt gebeurt. We weten vaak niet wat er boven ons hoofd gebeurt, vooral als het gaat om bioaerosolen en rookdeeltjes.”
Nenes hoopt dat het onderzoek van het team op een dag wetenschappers kan helpen bij het ontwikkelen van verbeterde real-time kaarten om het volksgezondheidsbeleid te informeren. Maar zelfs nu al zou het nieuwe LiDAR-systeem een stap voorwaarts kunnen betekenen in de voorspellingsmogelijkheden. “We hebben al veel ruimte voor verbetering gevonden in de huidige voorspellingsmodellen”, legt hoogleraar Alexandros Papagiannis uit. “Het aantal pollen verandert dramatisch in de loop van een dag, met de hoogste concentraties overdag.”
