Risikoabschätzung der Verbreitung von Bioaerosolen durch die Luft mit modernen Lagrange'schen Ausbreitungsmodellen

Das Lagrangesche Partikelmodell simuliert die Ausbreitung von Viren mittels einer großen Anzahl von repräsentativen Teilchentrajektorien. Eine Teilchenbahn lässt sich durch Integration der Geschwindigkeit nach der Zeit berechnen. In der Praxis wird das Integral durch eine Summe über endliche Zeitschritte angenähert, die Berechnung der Partikelpositionen zu einer bestimmten Zeit erfolgt iterativ aus der Kenntnis der Position zum vorangegangenen Zeitpunkt und dem Produkt aus aktueller Geschwindigkeit und dem Zeitschritt (Markov-Kette erster Ordnung). Die Geschwindigkeit eines Partikels setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, einerseits aus der von meteorologischen Modellen berechneten Grundströmung und andererseits aus einer turbulenten Geschwindigkeitskomponente. Letztere beinhaltet die mit einer Autokorrelationsfunktion gewichtete und damit die Massenträgheit berücksichtigende turbulente Geschwindigkeitskomponente des vorangegangenen Zeitpunktes sowie eine echte Zufallskomponente. Unter Berücksichtigung der Erhaltung der kinetischen Energie handelt es sich dabei um eine normalverteilte Zufallszahl, deren Streuung dem Ausmaß der Windfluktuation entspricht. Das angestrebte Resultat, also die Konzentrationsverteilung der Viren an der Erdoberfläche, lässt sich durch die Aufsummierung der Verweildauer der einzelnen Partikel in den Zellen des dafür diskretisierten Raums bestimmen. Im Gegensatz zu Gaußschen Ausbreitungsmodellen lässt sich die Virenausbreitung bei räumlich inhomogenen und zeitlich variablen Strömungs- und Turbulenzverhältnissen beschreiben. Zudem stellt eine ausgeprägte Topographie mit den damit verbundenen komplexeren Windverhältnissen keine Einschränkung für das Lagrangesche Partikelmodell dar.

Zentrum für Biologische Wissenschaften