Skip to main content
2021-04-19

Leestijd: ongeveer 20 minuten

Met een steeds groeiende wereldbevolking, en de voortdurende toename van het energieverbruik, zijn de effecten van menselijke activiteiten op onze natuurlijke leefomgeving nog nooit zo relevant geweest. Om de daaruit voortvloeiende problemen, zoals luchtverontreiniging en klimaatverandering, te begrijpen en te beperken moet het hele aardsysteem (land, oceanen, atmosfeer en hun onderlinge interacties ) zorgvuldig in het oog worden gehouden. Lange tijdreeksen van waarnemingen vanaf de grond en vanuit de ruimte helpen wetenschappers de fysische en chemische processen te begrijpen en een onderscheid te maken tussen natuurlijke en antropogene bijdragen tot de waargenomen veranderingen in de luchtkwaliteit en het klimaat. Het is in dit opzicht dat de Europese Commissie het Copernicus-programma voor aardobservatie heeft ontwikkeld. Het omvat de ontwikkeling en exploitatie van monitoringnetwerken vanaf de grond en vanuit de ruimte en beoogt vrije toegang tot alle resulterende informatie.

Een van de componenten van het Copernicus-programma is een serie satellieten die verschillende aspecten van onze planeet in de gaten houden. Deze "Sentinel"-serie is ontwikkeld door de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA). Binnen dit programma is Sentinel-5 Precursor (S-5P) de eerste missie voor het monitoren van de atmosferische samenstelling. Er is slechts één instrument aan boord, het “Tropospheric Monitoring Instrument” (TROPOMI).  Na de lancering in oktober 2017 merkten wetenschappers al snel dat de kwaliteit van de metingen de verwachtingen overtrof en sindsdien, na drie jaar operationele levering van hoge kwaliteitswaarnemingen, hebben veel spectaculaire resultaten het licht gezien die ons begrip van de samenstelling van de aardatmosfeer verder hebben verbeterd. Op 18 april 2021 is het drie jaar geleden dat de operationele distributie van de TROPOMI-gegevens van start ging. Wetenschappers van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) zijn nauw betrokken geweest bij de analyse van de gegevens en de achterliggende technieken, alsook bij de kwaliteitscontrole en wetenschappelijke exploitatie van de metingen. Met enthousiasme over de resultaten willen zij deze gelegenheid van "Drie jaar TROPOMI" aangrijpen om meer informatie te verstrekken over deze satellietmissie en hun meest aantrekkelijke resultaten te delen.

De Sentinel-5 Precursor-missie

Rapporten van het Europees Milieuagentschap (EMA) en de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) bevestigen met regelmaat dat luchtverontreiniging aan de basis ligt van ongeveer 7 miljoen vroegtijdige sterfgevallen in de wereld, waarvan meer dan 400.000 in Europa. Daarbij wordt gerapporteerd dat veranderingen in het klimaat en in de ozonlaag ook globale consequenties hebben voor de volksgezondheid en maatschappij. Wereldwijd worden inspanningen geleverd om de effecten van luchtverontreiniging, ozon en klimaatverandering – drie fenomenen die nauw verbonden zijn – te bestuderen en te reduceren. Het doel van Copernicus is om computermodellen en metingen vanaf de grond en per satelliet te combineren tot een geïntegreerd systeem voor de bewaking van zowel luchtkwaliteit als klimaat, zoals in Europa gebeurt met respectievelijk de Copernicus Atmospheric Monitoring Service (CAMS) en de Copernicus Climate Change Service (C3S).

Er zijn verschillende satellietplatforms gepland voor het monitoren van de samenstelling van de atmosfeer en de luchtkwaliteit, zoals Metop-SG met het Sentinel-5 instrument (de opvolger van Sentinel-5P) en het geostationaire platform Meteosat 3 (MTG) met het Sentinel-4 instrument. Deze instrumenten, die de dagelijkse variaties in de samenstelling van de atmosfeer boven Europa zullen waarnemen, zullen echter pas over enkele jaren worden gelanceerd.

Gelukkig werd ingezien dat er een missie nodig was om de tijdskloof tussen de oudere generatie sensoren en de komende nieuwe platforms te dichten. En zo zag het concept van Sentinel-5 Precursor het licht. De missie vertoont veel gelijkenissen met de toekomstige Sentinel-5 (vandaar "Precursor") en heeft een verwachte levensduur van 7 jaar.

De nuttige lading van S-5P, het TROPOMI-instrument, is ontwikkeld door verschillende Nederlandse onderzoeksinstituten, met name het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI), het Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek (SRON) en de Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO). Het heeft een totale massa van 220 kg en bestaat uit spectrometers die gevoelig zijn voor een breed spectrum van kleuren (golflengten) in het ultraviolette/visuele bereik en in het nabij-infrarode domein. De golflengtegevoeligheid werd zo gekozen dat een maximaal aantal atmosferische bestanddelen die relevant zijn voor de luchtkwaliteit en het klimaat kunnen worden waargenomen.

Van boven neerkijkend

Wanneer we het hebben over "lucht", het hoofdbestanddeel van de atmosfeer van de aarde, weten de meeste mensen dat deze grotendeels bestaat uit de gasvormige componenten stikstof (78%) en zuurstof (21%). Toch zijn er sporen van honderden andere gassen te vinden die samen de laatste 1% vormen. Het is dankzij deze sporengassen dat het broeikaseffect bestaat of dat wij beschermd zijn tegen de hoogenergetische UV-straling die door de zon wordt uitgezonden, waardoor onze planeet bewoonbaar is. Tegelijkertijd kunnen veranderingen in hun hoeveelheid leiden tot verschijnselen als de opwarming van de aarde (versterkt broeikaseffect) en een verminderde luchtkwaliteit (vervuiling).

De atmosfeer is een relatief dunne laag die tot ongeveer 100 km van het aardoppervlak reikt. Om de samenstelling van deze "appelschil" te bepalen, kan TROPOMI de lucht niet rechtstreeks analyseren (in tegenstelling tot bepaalde instrumenten op de grond, op ballonnen of op vliegtuigen die de lucht rechtstreeks analyseren), omdat de satelliet op een hoogte van ongeveer 800 km rond de aarde draait. In plaats daarvan maakt het TROPOMI-instrument gebruik van spectroscopische technieken om het zonlicht te analyseren dat door de atmosfeer is gegaan en door het aardoppervlak wordt weerkaatst of door de luchtmoleculen naar het instrument wordt verstrooid. Door het waargenomen lichtspectrum te vergelijken met dagelijkse directe metingen van de zon (licht dat niet door de atmosfeer is gegaan), kan de samenstelling van de atmosfeer op het tijdstip van de meting worden afgeleid. De uiteindelijke afgeleide grootheid is de totale hoeveelheid gas in de verticale atmosferische kolom boven de meetlocatie.

orbits
Figuur 1. Voorbeeld van de vluchtconfiguratie van S-5P/TROPOMI, samen met de
resulterende metingen van stikstofdioxide. De satelliet draait ongeveer 14 keer per dag
in een baan om de aarde boven de polen en observeert telkens een strook van 2600 km
breed. Na 24 uur is bijna de gehele atmosfeer waargenomen.

S-5P draait in een baan om de aarde volgens een zodanig patroon dat hij bij elke omloop, om 13.30 uur plaatselijke tijd, de evenaar van zuid naar noord kruist.  Elke baan heeft een duur van 100 minuten. Gedurende die tijd meet het TROPOMI-instrument een strook van de atmosfeer van 2600 km breed. Aangezien de aarde onder de satelliet draait, bevindt elke nieuw gemeten strook zich juist ten westen van de vorige, wat betekent dat TROPOMI de volledige atmosfeer in een periode van 24 uur waarneemt (Figuur 1).

Het zit hem in de details

Is TROPOMI het eerste satellietinstrument dat de samenstelling van de atmosfeer kan bepalen? Helemaal niet! Maar de prestaties van TROPOMI zijn opmerkelijk door zijn verbeterde gevoeligheid en verbeterde ruimtelijke resolutie. Het eerste aspect betekent dat het instrument ook zwakkere verontreinigingsbronnen kan detecteren die vroeger vaak over het hoofd werden gezien, maar die door hun grote aantal zeer relevant zijn voor de studie van de luchtkwaliteit en het klimaat.

Bij een vergelijking van TROPOMI met zijn voorgangers valt vooral de verbeterde ruimtelijke resolutie op. De pixelgrootte van het grondoppervlak kan worden gezien als het gebied van de kleinste details die de instrumenten kunnen waarnemen, niet anders dan de pixels van een digitale camera. De pixelgrootte van TROPOMI is 5,5 × 3,5 km2. Dit lijkt misschien niet klein in vergelijking met wat andere instrumenten behalen, bijvoorbeeld Sentinel-2 die in staat is om resoluties tot 10 m te bereiken, maar men mag niet vergeten dat de spectroscopische meettechniek sterk verschilt van de directe waarneming van objecten op de grond en dat de vooruitgang ten opzichte van vorige atmosferische instrumenten vrij spectaculair is (Figuur 2).

ground pixels
Figuur 2. Vergelijking van de pixelgrootte van TROPOMI (lancering 2017) met die van zijn voorgangers SCIAMACHY (2002), GOME-2 (2006, 2012 en 2018), en OMI (2004). Vanwege de hoge kwaliteit van de resultaten is de pixelgrootte van TROPOMI in 2019 verder teruggebracht tot 5,5 x 3,5 km2.

Eén beeld…

Zoals het spreekwoord van Confucius het zegt: één beeld zegt meer dan duizend woorden, en dit geldt zeker voor de resultaten die tot dusver met TROPOMI zijn verkregen. In dit deel wordt een selectie van beelden gepresenteerd, ter illustratie van de geobserveerde distributie van verschillende belangrijke vervuilende gassen, samen met een korte bespreking van hun relevantie.

Kaarten die meerdere jaren weergeven

TROPOMI observeert dagelijks de hele atmosfeer, maar soms worden de interessante moleculen aan het zicht onttrokken door wolken of stof, of is de concentratie te laag om te worden gedetecteerd. Door de metingen over een langere periode samen te voegen kan de impact van metingen van mindere kwaliteit worden beperkt, en kan een groot aantal zwakkere bronnen aan het licht worden gebracht die anders onopgemerkt zouden blijven. Figuur 3 toont wereldwijde TROPOMI-kaarten van de gemiddelde spoorgassenverdeling gedurende bijna de gehele TROPOMI-missie tot vandaag (2,5 - 3 jaar). Meerdere kaarten kunnen ook als PDF-bestand worden gedownload.

Figuur 3. Wereldkaarten met de gemiddelde verticale kolommen van spoorgassen tijdens bijna de hele TROPOMI-missie tot het heden (april 2021). Beweeg over het pictogram "lagen" om te wisselen tussen de verschillende gassen.

Vervuiling afkomstig van menselijke activiteit

De internationale inspanningen om de impact van het wereldwijde energieverbruik en de menselijke voetafdruk te verminderen, worden steeds groter, maar voorlopig blijft het gebruik van niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen toenemen. De verbranding van olie, kolen en gas is verantwoordelijk voor de stijging van het koolstofdioxideniveau (CO2) in de atmosfeer, een van de belangrijkste oorzaken van de opwarming van de aarde. Verbrandingsprocessen van verwarmingssystemen, elektriciteitsopwekking en motoren (transport) brengen grote hoeveelheden CO2 en andere verontreinigende stoffen in de atmosfeer, zoals stikstofdioxide (NO2) en zwaveldioxide (SO2), die beide door TROPOMI worden waargenomen.

Wanneer men de NO2-kaart in figuur 3 raadpleegt, kan men onmiddellijk zien dat de meest verhoogde hoeveelheden worden aangetroffen in gebieden met geconcentreerde economische of industriële activiteit, zoals het oosten van de Verenigde Staten, het Midden-Oosten en Europa. NO2 is een reactief gas dat betrokken is bij de vorming van ozon en fijnstof (smog) en staat bekend als irriterend voor het menselijk ademhalingsstelsel.

Zoals reeds eerder vermeld, neemt TROPOMI ook zwaveldioxide waar, een andere verontreinigende stof die de atmosfeer verzuurt (zure regen) en irritatie van keel en longen kan veroorzaken, vooral bij degenen die reeds aan ademhalingsproblemen lijden. Ongeveer twee derde van het SO2-gehalte van de atmosfeer is toe te schrijven aan menselijke activiteit. De rest is afkomstig van vulkanisme.

De SO2-concentratie in Europa (die vroeger zure regen veroorzaakte) is de laatste decennia drastisch verminderd door het gebruik van brandstoffen van hogere kwaliteit en ontzwavelingssystemen in de industrie. Dit is echter niet het geval in andere regio's in de wereld, waar het gebruik van zwavelhoudende fossiele brandstoffen en het smelten van ertsen vaak verantwoordelijk is voor een sterk verslechterde luchtkwaliteit. TROPOMI speelt dan ook een belangrijke rol bij het toezicht op de evolutie van de wereldwijde SO2-emissie. De wereldwijde TROPOMI SO2-kaart in Figuur 3 toont duidelijk verhoogde SO2-hoeveelheden boven Oost-China, India en het Midden-Oosten.

Een bijzonder interessante antropogene bron van SO2-emissie is de industrie in de Siberische stad Norilsk, die berucht is om haar verontreiniging als gevolg van de industriële exploitatie en verwerking van nikkel en palladium. De smeltprocessen die daar plaatsvinden produceren een gestage uitstroom van SO2 die in de TROPOMI-waarnemingen langs de nabijgelegen rivieren en zijdalen kan worden gevolgd (Figuur 4).

 

Norilsk
Figuur 4. TROPOMI SO2-signaal afkomstig van de industrie in Norilsk, Siberië. De fijne details in de SO2-pluim onthullen hoe de plaatselijke orografie de verspreiding van de pluim stuurt.

Het is niet allemaal onnatuurlijk, of wel?

Het grootste deel van de uitstoot van NO2 en SO2 in de atmosfeer is het resultaat van menselijke activiteit, maar voor andere verontreinigende stoffen kan het onderscheid tussen natuurlijke en antropogene bijdragen complexer zijn. Een voorbeeld wordt gevormd door de familie van vluchtige organische stoffen (VOS), moleculen die deelnemen aan complexe chemische reactieketens die de luchtkwaliteit beïnvloeden door de vorming van troposferisch ozon (O3) en aerosoldeeltjes. VOS zijn afkomstig van de industrie en het verkeer, maar worden ook geproduceerd in vegetatiegebieden en bij bosbranden. Vanwege deze gemengde oorsprong is een zorgvuldige bepaling van de natuurlijke en antropogene VOS-hoeveelheden noodzakelijk om de luchtkwaliteit en de effecten op het klimaat te bestuderen.

Helaas kunnen VOS niet rechtstreeks vanaf satellieten worden gemeten en wordt hun kwantificering gedaan door het meten van formaldehyde (HCHO) en glyoxaal (CHOCHO), beide tussenproducten in de fotochemische degradatie van VOS en die door TROPOMI waargenomen worden. Gemiddeld verblijven de HCHO- en CHOCHO-moleculen slechts enkele uren in de atmosfeer alvorens chemisch te worden vernietigd, wat betekent dat zij gewoonlijk niet ver van hun emissiebron door de wind worden meegevoerd. Dit vergemakkelijkt het onderscheid tussen natuurlijke en menselijke bronnen. Deze informatie wordt vervolgens gebruikt in computermodellen die de atmosferische chemie en het atmosferische transport simuleren, waardoor onze kennis van de vorming van ozon en de effecten op het klimaat wordt verbeterd. De wereldwijde kaarten van formaldehyde en glyoxaal in figuur 3 tonen de natuurlijke bronnen uit de vegetatie boven Centraal-Afrika en het Amazonewoud, terwijl de verhoogde concentraties in Oost-Azië vooral te wijten zijn aan industriële vervuiling.

Natuurlijke fenomenen

Chemische stoffen in de atmosfeer kunnen bij natuurrampen, zoals bosbranden of vulkaanuitbarstingen, een directe bedreiging vormen voor het milieu of het leven van mens en dier.

Bosbranden

Bosbranden kunnen verantwoordelijk zijn voor de uitstoot van grote hoeveelheden formaldehyde, glyoxaal en andere soorten in een relatief korte tijd. TROPOMI heeft ongekende hoeveelheden HCHO en CHOCHO waargenomen die werden uitgestoten tijdens de Australische bosbranden van 2019-2020, en opnieuw tijdens de bosbranden in Californië.

HCHO
Figuur 5.1 Animatie van formaldehyde-pluimen, uitgestoten tijdens de bosbranden van 2020 in Californië.

 

CHOCHO
Figuur 5.2 Animatie van glyoxaal-pluimen, uitgestoten tijdens de bosbranden van 2020 in Californië.

De monitoring van dit soort gebeurtenissen is van bijzonder belang omdat kan worden verwacht dat het aantal bosbranden en de intensiteit ervan in de komende jaren zullen toenemen als gevolg van de opwarming van de aarde. Dergelijke grootschalige branden kunnen een ernstig effect hebben op de luchtkwaliteit, met name wanneer de uitgestoten deeltjes en gassen door de wind over langere afstanden worden meegevoerd. In dit verband hebben de Australische en Californische bosbranden het belang aangetoond van het transport over lange afstanden (1000 km en meer) van koolmonoxide (CO) en zelfs van kortlevende stoffen als formaldehyde en glyoxaal. Zoals eerder vermeld overleven de eerste twee gassen normaal slechts enkele uren in de atmosfeer, en hun aanwezigheid op zo'n grote afstand van de bron doet vermoeden dat andere chemische soorten, die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ervan, ook door de branden worden uitgestoten en nog steeds detecteerbare hoeveelheden formaldehyde en glyoxaal creëren.

Net als formaldehyde en glyoxaal heeft koolstofmonoxide natuurlijke en antropogene bronnen, waarbij de rol van koolstofmonoxide als verontreinigende stof het duidelijkst is in dichtbevolkte gebieden (verbranding van fossiele brandstoffen).  In natuurlijke omgevingen zijn oxidatie met koolwaterstoffen of verbranding van biomassa de meest relevante bronnen. Maar in tegenstelling tot formaldehyde en glyoxaal heeft koolstofmonoxide een relatief lange levensduur (weken tot maanden), waardoor het een ideale tracer is voor transportmechanismen over lange afstanden. Figuur 6 toont als voorbeeld het CO-transport over de Stille Oceaan door de Australische bosbranden in 2019-2020.

CO australia
Figuur 6. Geanimeerde CO-pluimen van de bosbranden van 2019-2020 in Australië. Bijzonder opmerkelijk is de hoeveelheid CO die in januari 2020 werd uitgestoten en die helemaal over de Stille Oceaan werd meegevoerd.

Een van de meest recente ontdekkingen gedaan door BIRA-wetenschappers dankzij TROPOMI- was de consistente aanwezigheid van waterstofnitriet (HONO) in bosbrandpluimen. Dit werd uitvoerig beschreven in een artikel in het prestigieuze tijdschrift Nature ("Globale nitrous acid emissions..."). Het belang van het detecteren van HONO ligt in het feit dat het een precursor is van het zogenaamde hydroxylradicaal (OH), dat een belangrijke rol speelt bij de afbraak van broeikasgassen en het ontstaan van smog en ozon. Voor een gedetailleerde kennis van de betrokken chemie is het daarom van belang de in de atmosfeer vrijkomende HONO-hoeveelheden nauwkeurig te bepalen. Betrouwbare waarnemingen om dit te doen, ontbraken echter tot nu toe. In samenwerking met de Universiteit van Colorado ontdekten BIRA-onderzoekers, aan de hand van wereldwijde TROPOMI-metingen van pluimen van bosbranden in diverse ecosystemen, consistent verhoogde HONO-hoeveelheden, vooral in de buurt van de brandhaarden (Figuur 7).

HONO
Figuur 7. Verhoogde hoeveelheden waterstofnitriet, waargenomen door TROPOMI in Australische bosbrandpluimen op 4 januari 2020.

Vulkaanuitbarstingen

Een ander soort natuurverschijnsel, dat potentieel rampzalige gevolgen voor het milieu kan hebben, wordt gevormd door vulkaanuitbarstingen. Krachtige uitbarstingen vormen niet alleen een bedreiging voor de onmiddellijke omgeving, maar de uitgestoten as en SO2-wolken kunnen ook schadelijk zijn voor het luchtverkeer en de gezondheid van de passagiers, zelfs op grote afstand van de bron. De verbeterde ruimtelijke resolutie van TROPOMI maakt een vroegtijdige karakterisering van uitbarstingen en een betrouwbaarder monitoring van het vervoer van SO2-wolken mogelijk (Figuur 8). Het instrument was dan ook een welkome aanwinst voor de SACS-dienst, een platform van het BIRA dat informatie verstrekt over vulkaanuitbarstingen vanaf een reeks satellietplatforms, en waarschuwingen doorgeeft aan de adviescentra voor vulkaanas ter ondersteuning van de internationale luchtvaartcontrole.

Volcanism
Figuur 8. TROPOMI-waarnemingen van vulkanische SO2-pluimen van de Hawaïaanse uitbarsting van Kilauea (6 mei 2018; links) en van de Etna (26 december 2018; rechts).

Klimaat

tropo ozone
Figuur 9. Verhoogde hoeveelheden troposferisch ozon in de Atlantische Oceaan, als gevolg
van de verbranding van biomassa in Afrika en Zuid-Amerika.

Als het gaat om de mechanismen achter de verandering van het wereldklimaat, ligt de nadruk vaak op de menselijke bijdrage aan de uitstoot van kooldioxide (CO2).  Toch zijn er andere broeikasgassen die even grondig moeten worden onderzocht, zoals methaan (CH4) en ozon (O3). Het aantal methaanmoleculen in de atmosfeer is veel kleiner dan dat van koolstofdioxide. Toch hebben methaanmoleculen een veel groter vermogen om de atmosfeer op te warmen en is de opname ervan in klimaatstudies dan ook zeer relevant. De toename van de methaanconcentratie in de atmosfeer is in de loop der jaren niet altijd regelmatig geweest en er is nog veel onduidelijk over het ontstaan en de vernietiging ervan. TROPOMI is het eerste instrument dat het mondiale methaangehalte dagelijks met hoge resolutie in kaart brengt. Het BIRA speelt een belangrijke rol bij de validatie van de methaanmetingen, door ervoor te zorgen dat de onzekerheden klein genoeg zijn om de resultaten in klimaatstudies te gebruiken. Zie figuur 3 voor de wereldwijde methaanverdeling zoals waargenomen door TROPOMI.

De aanwezigheid van ozon in de stratosfeer, dat is boven ongeveer 10 km, beschermt ons tegen schadelijke ultraviolette straling van de zon. Dichter bij de grond vervult het een dubbele rol als verontreinigende stof en als broeikasgas. Voor een grondig begrip van de rol van dit troposferisch ozon moet de hoeveelheid ervan met grote nauwkeurigheid worden bepaald, wat niet gemakkelijk vanuit de ruimte kan gebeuren wegens de interferentie van de veel grotere stratosferische kolom. BIRA-wetenschappers hebben de TROPOMI-detecties van troposferisch ozon in de tropen zorgvuldig geanalyseerd en de resultaten vergeleken met die van andere instrumenten, zoals die welke in situ met ballonnen zijn verkregen. Hieruit blijkt dat TROPOMI een belangrijke stap voorwaarts is bij de karakterisering van troposferisch O3, waarbij de invloed van b.v. bosbranden en verschillende meteorologische verschijnselen duidelijk aan het licht komt.

Naast troposferisch ozon zijn metingen van TROPOMI ook van groot belang voor de bewaking van de totale verticale ozonkolom. Ozon houdt verband met het klimaat, aangezien het straling absorbeert van de zon (stratosfeer) en van het aardoppervlak (troposfeer). Dit hoogteafhankelijke effect op het klimaat maakt de bewaking van de totale ozonkolom tot een essentiële activiteit bij de bestudering van het klimaat en andere atmosferische verschijnselen, zoals het gat in de ozonlaag op Antarctica. TROPOMI-totale ozontijdreeksen zijn een belangrijk ingrediënt van klimaatgegevensbestanden die worden geproduceerd door projecten zoals het Climate Change Initiative (CCI) van het ESA en de Copernicus Climate Change Service (C3S).

De waarheid en niets dan de waarheid

In het ideale geval zou de uit de TROPOMI-gegevens afgeleide hoeveelheid spoorgassen de werkelijke hoeveelheid op het tijdstip van de waarneming moeten weergeven. Maar ondanks de vele jaren van voorbereiding, komen de prestaties van elk nieuw satellietinstrument pas volledig aan het licht na de lancering en bij vergelijking van de resultaten tussen instrumenten blijkt er meestal een zekere mate van verschil te zijn. Meetonzekerheden kunnen variëren in functie van vele parameters en zijn meestal het gevolg van een mengsel van instrumentele kenmerken, omstandigheden in de ruimte, benaderingen in de toegepaste software, en atmosferische omstandigheden. Voor de studie van luchtkwaliteit, ozon en klimaat worden hoge eisen gesteld aan de meetkwaliteit en moeten de onzekerheden zorgvuldig worden bewaakt, geanalyseerd en begrepen. In het kader van het ESA/Copernicus Mission Performance Centre voor Sentinel-5P worden de van TROPOMI-metingen afgeleide spoorgasproducten op geautomatiseerde wijze gecontroleerd via een valideringsfaciliteit (VDAF) die bij het BIRA wordt geëxploiteerd, in samenwerking met Europese partners. Bovendien worden regelmatig uitgebreide valideringscampagnes georganiseerd waarbij de TROPOMI-metingen worden vergeleken met die van referentie-instrumenten die op de grond of in vliegtuigen zijn opgesteld. Het BIRA draagt ook bij tot de totstandbrenging van observatiesystemen die betrouwbare referentiegegevenssets opleveren vanuit meetstations die strategisch over de wereld zijn verspreid (FRM4DOAS en FRM4GHG). Deze zogenaamde “Fiducial Reference Measurements” (FRM), die zijn afgestemd op de specifieke behoeften van satellietvalidering, moeten worden beschouwd als de meest betrouwbare referentiebron en zullen ook worden gebruikt voor de validering van gegevens van de toekomstige Sentinel-4-, Sentinel-5- en CO2M-missies.

Figuur 10. Uitstekende overeenkomst tussen TROPOMI-metingen en referentiemetingen op de grond van de totale ozonkolom op het eiland Kerguelen, zoals blijkt uit de geautomatiseerde vergelijkingen in de Validation Data Analysis Facility (VDAF).

De volgende stap

Zoals eerder beschreven, kan TROPOMI rechtstreeks details in de distributie van sporengassen meten tot op een schaal van 5,5 × 3,5 km2.  Hoewel dit een enorme stap voorwaarts is ten opzichte van eerdere satellietsensoren, betekent het nog steeds dat de satelliet de verontreinigingsniveaus niet kan detecteren op de schaal van buurten of straten. Daar komt nog bij dat TROPOMI de meeste delen van onze planeet slechts eenmaal per dag observeert, op hetzelfde lokale tijdstip. Dit betekent dat geen informatie wordt verkregen over de dagelijkse variatie in de concentratie van verontreinigende soorten.

Daarom is het de bedoeling de resultaten van meerdere satellieten te combineren om de informatie over de luchtkwaliteit te verbeteren. Het gaat hierbij om platforms in een polaire omloopbaan, zoals S-5P en het toekomstige Sentinel-5, en het geostationaire instrument Sentinel-4. Deze laatste zal alleen een vast zicht op Europa hebben, maar heeft het voordeel dat hij elk uur de samenstelling van de atmosfeer bemonstert. Een ander doel is de ruimtelijke en tijdsresolutie zodanig te verbeteren dat bijvoorbeeld de verontreiniging van lage-emissiezones in stedelijke gebieden kan worden gemonitord. Om dit doel te bereiken zullen nieuwe satellietinstrumenten met een nog hogere resolutie dan TROPOMI moeten worden ontwikkeld en gelanceerd. Met de steun van het Federaal Wetenschapsbeleid (BELSPO), en in samenwerking met het Belgisch Intergewestelijke Cel voor het Leefmilieu (IRCEL), hebben wetenschappers van het BIRA een eerste stap in die richting gezet door te trachten de ruimtelijke resolutie van stikstofdioxidekaarten te verbeteren. Dit kan worden gedaan door TROPOMI-gegevens over langere perioden (weken tot maanden) te verzamelen en zorgvuldig te combineren met aanvullende informatie, zoals de kwaliteit van elke meting, en de plaatselijke windrichting en -snelheid tijdens de waarnemingen. Figuur 11 geeft een voorbeeld van de resultaten die met deze aanpak bekomen zijn voor Brussel. Zoals te zien is, geeft de afgeleide kaart met hoge resolutie veel meer informatie over de intra-stedelijke verspreiding van NO2 dan de afzonderlijke metingen van TROPOMI kunnen opleveren.

colour scale top

colour scale bottom

Figuur 11. Boven: een kaart van originele TROPOMI NO2-metingen voor één specifieke datum (één enkel passage van TROPOMI over dit gebied); Onder: een kaart van de NO2-verdeling over Brussel met een verhoogde ruimtelijke resolutie van 1×1 km2. De kaart met hoge resolutie werd gegenereerd door geselecteerde informatie van drie maanden TROPOMI NO2-metingen (zomer 2020) te combineren en rekening te houden met plaatselijke meteorologische informatie.

Ook op het niveau van satellieten kan van toekomstige generaties instrumenten een verdere verbetering van de ruimtelijke resolutie worden verwacht. Resoluties van 1×1 km2 zijn reeds aangetoond en er bestaan voorstellen voor schalen van 500 × 500 m2 en minder. De kleine pixelgrootte op de grond impliceert dat dagelijkse wereldwijde dekking niet haalbaar is, maar deze instrumenten zullen waarschijnlijk vliegen op kleine satellieten of pseudo-satellieten op grote hoogte: onbemande vliegtuigen of ballonnen die maanden of zelfs jaren achtereen op meer dan 20 km hoogte blijven. Zij zullen worden ingezet ter ondersteuning van wereldwijde missies zoals Sentinel-5 en zullen inzoomen op emissiebronnen die van groot belang zijn.

Zelfs bij verhoogde ruimtelijke resolutie verschaffen de TROPOMI-resultaten echter niet volledig de gegevens die interessant zijn voor een beoordeling van de luchtkwaliteit aan de grond. De TROPOMI-pixels tonen immers de totale verticale gaskolom boven een bepaalde plaats, en niet de verontreinigingsconcentratie dicht aan de oppervlakte, waar het menselijk en dierlijk leven zich afspeelt. Het inschatten van de oppervlakteconcentratie op basis van een meting van de totale kolom is niet eenvoudig, omdat de verticale verdeling van de gemeten soorten in het algemeen niet bekend is. In de komende jaren zullen wetenschappers van het BIRA aan dit onderwerp blijven werken. Door gebruik te maken van geavanceerde computermodellen die de plaatselijke atmosferische chemie beschrijven en door machine learning technieken toe te passen, zal naar verwachting een betrouwbare relatie kunnen worden gevonden tussen de verticale kolom en de concentratie aan het oppervlak.

Ook wordt een verbetering verwacht van de technieken die de verticale kolomhoeveelheden afleiden uit de spectrale gegevens van TROPOMI. De beschikking over een gevoeligere satellietsensor betekent niet alleen dat zwakkere bronnen kunnen worden gedetecteerd, maar ook dat de beperkingen van de gebruikte algoritmes zichtbaarder worden. Dit kan eigenlijk als een voordeel worden beschouwd, omdat het wetenschappers in staat stelt verder onderzoek te doen en hun technieken te verbeteren. De resultaten van TROPOMI hebben aangetoond dat de DOAS-techniek haar beperkingen heeft bij het opsporen van spoorgassen die niet zo veel zonlicht absorberen en daarom moeilijk te detecteren zijn. Kleine onvolkomenheden in het TROPOMI-instrument en onvolkomenheden die verband houden met onze gebrekkige kennis van atmosferische processen leveren dan kaarten op met “ruis”, bijvoorbeeld in het geval van formaldehyde (HCHO) of kleine bronnen van zwaveldioxide. Recent onderzoek aan ons instituut heeft geleid tot een alternatieve methode die veel "schonere" kaarten oplevert en het mogelijk maakt om zelfs zwakkere bronnen op te sporen. Deze methode zal in de komende jaren verder worden verfijnd.

Niet alle nieuwe producten die op basis van TROPOMI-data worden ontwikkeld, vinden hun weg naar de officiële Copernicus-distributiekanalen, bijvoorbeeld omdat er al een vergelijkbaar product bestaat of omdat het nieuwe product enkel relevant is voor een specifieke, lokale gebruikersgroep. Vanwege dit laatste aspect is het concept van de Copernicus Collaborative Ground Segments in het leven geroepen. Deze hebben tot doel satellietproducten te voorzien die voldoen aan de behoeften van lokale gebruikers.

Zo'n systeem bestaat ook in België, genaamd Terrascope en wordt beheerd door VITO. BIRA heeft recent bijgedragen aan Terrascope door het leveren van wereldwijde data van de verticale kolommen van stikstofdioxide en koolstofmonoxide. Deze kunnen worden geraadpleegd via de Terrascope viewer. De komende jaren zal BIRA meer S-5P/TROPOMI producten ontwikkelen die aan Terrascope zullen worden toegevoegd.

Downloadbare S-5P/TROPOMI-kaarten

Op basis van de TROPOMI-resultaten hebben BIRA-wetenschappers kleurenkaarten met een hoge resolutie gemaakt van enkele van hun favoriete spoorgassoorten. Ze kunnen hier gratis worden gedownload.

Contact

Dr. Jeroen van Gent
Email: jeroen(dot)vangent(at)aeronomie(dot)be
Dienst "UV-zichtbaar licht waarnemingen" van het BIRA

Referenties

  • Copernicus programma
  • Theys, N., R. Volkamer, J.-F. Müller, K. J. Zarzana, N. Kille, L. Clarisse, I. De Smedt, C. Lerot, H. Finkenzeller, F. Hendrick, T. K. Koenig, C. F. Lee, C. Knote, H. Yu, and M. Van Roozendael: Global nitrous acid emissions and regional oxidants levels enhanced by wildfires, Nat. Geosci., (2020) - www.nature.com/articles/s41561-020-0637-7
  • Hubert, D., Heue, K.-P., Lambert, J.-C., Verhoelst, T., Allaart, M., Compernolle, S., Cullis, P. D., Dehn, A., Félix, C., Johnson, B. J., Keppens, A., Kollonige, D. E., Lerot, C., Loyola, D., Maata, M., Mitro, S., Mohamad, M., Piters, A., Romahn, F., Selkirk, H. B., da Silva, F. R., Stauffer, R. M., Thompson, A. M., Veefkind, J. P., Vömel, H., Witte, J. C., and Zehner, C.: TROPOMI tropospheric ozone column data: Geophysical assessment and comparison to ozonesondes, GOME-2B and OMI, Atmos. Meas. Tech. Discuss., https://doi.org/10.5194/amt-2020-123, 2020.

banner

News image 1
News image legend 1
TROPOMI meet elke 24 uur een reeks chemische soorten die van cruciaal belang zijn voor het klimaat en andere atmosferische processen, wereldwijd en op een nooit eerder geziene schaal van detail.
News image 2
News image legend 2
Model van de Sentinel-5P-satelliet bij het BIRA.