Tropomi meet wereldwijd luchtvervuiling

Methaanlekken opsporen, bosbranden in de gaten houden, de verspreiding in kaart brengen van vulkanische gassen door vulkaanuitbarstingen of de vervuilende uitstoot van mega schepen traceren? Met satellietinstrument Tropomi  voluit TROPOspheric Monitoring Instrument genoemd  kan het allemaal! Het meetinstrument maakt dagelijks een scan van de hele aarde, waarbij het van gebiedjes van slechts 3,5 km bij 5,6 km gegevens verzamelt over het spectrum van het indirecte zonlicht dat via de atmosfeer het meetinstrument bereikt. Uit deze spectra kunnen onderzoekers de concentraties achterhalen van stikstofdioxide (NO₂), ozon (O₃), zwaveldioxide (SO₂), methaan (CH₄), koolstofmonoxide (CO) en formaldehyde (CH₂O).

Gemiddelde concentraties atmosfeer

Met het satellietinstrument kun je voor elk grondpixel, dat ongeveer zo groot is als een flinke woonwijk, de gemiddelde concentratie van een stof in de hele luchtkolom in de atmosfeer berekenen. Voor ozon kun je ook de afzonderlijke concentraties meten in het onderste deel van de atmosfeer, de troposfeer (tot 11 kilometer) en in het daarboven gelegen deel, de stratosfeer (van 11 tot 50 kilometer). Voor ozon is dit belangrijke informatie. Als de concentratie ozon in het bovenste deel hoger wordt, dan is dat een teken dat het gat in de ozonlaag zich herstelt. In de onderste laag is een hoge ozonconcentratie juist nadelig. Hier draagt ozon bij aan de luchtvervuiling en wil je de concentratie ozon daarom zo laag mogelijk hebben.

Hoge verwerkingssnelheid

“De data die Tropomi verzamelt, kunnen relatief snel verwerkt worden,” vertelt Ilse Aben, die als hoogleraar werkt bij SRON en hier één van de onderzoekers is die met de data van Tropomi werkt.

Figuur 2: Animatie van satelliet met Tropomi aan boord die in 24 uur de hele aarde scant om beelden te maken van de concentraties van verschillende stoffen in de atmosfeer. Bron: ESA/ATG.

“Tropomi draait elke 100 minuten een rondje om de aarde. Elke keer dat de satelliet boven een grondstation vliegt – deze liggen in de buurt van de Noordpool – stuurt deze de verzamelde informatie door naar de aarde. Zo worden gemiddeld elke anderhalf uur de data van de afgelopen anderhalf uur naar de aarde doorgestuurd. Dan is er nog eens anderhalf uur nodig om deze data te verwerken tot er een overzicht is van de concentraties. Je hebt dus in slechts drie uur al meetresultaten en die zijn voor iedereen beschikbaar!”

Dataverwerking

De verwerking van de data afkomstig van Tropomi bestaat uit twee delen. Eerst moeten de data worden gekalibreerd. Voor lancering is Tropomi gekalibreerd. Op basis van deze kalibratie weten de onderzoekers hoe ze de door Tropomi gemeten signaalsterkte kunnen omrekenen naar stralingsintensiteiten. Zo kunnen ze de ontvangen signalen omzetten naar een gekalibreerd spectrum.

Het gekalibreerde spectrum moeten de onderzoekers vervolgens nog omzetten naar de concentraties van de verschillende stoffen. Hiervoor gebruiken ze algoritmes die de mate van absorptie kunnen vertalen naar concentraties. In deze algoritmes zitten alle gegevens die nodig zijn voor deze vertaling, zoals de absorptiespectra van de verschillende gassen. Ook worden hiervoor gegevens gebruikt die beschrijven hoe het licht door de atmosfeer gaat: welke absorptie, verstrooiing en reflectie aan het aardoppervlak hierbij optreedt. Na deze stap hebben de onderzoekers voor elk grondpixel de gemeten concentraties van de onderzochte stoffen en kunnen ze hiermee overzichtskaarten maken.

“De korte doorlooptijd van de data geldt trouwens alleen voor die stoffen waarvoor enkel de gegevens van Tropomi volstaan,” benadrukt Ilse Aben. “Voor methaan kunnen we uitsluitend data gebruiken voor grondpixels die helemaal wolken-vrij zijn. Om dat te beoordelen zijn er extra gegevens nodig afkomstig van een ander meetinstrument op een Amerikaanse satelliet die net voor TROPOMI uit vliegt (VIIRS). De gegevens over wolken van dit meetinstrument zijn nauwkeuriger, omdat dit instrument een hogere ruimtelijke resolutie heeft. Pas als deze gegevens ook beschikbaar zijn, kunnen de gegevens gecombineerd worden om de uiteindelijke concentraties van methaan te berekenen en dat kost een paar dagen.”

Vier golflengtebanden

Om de data afkomstig van Tropomi om te rekenen naar concentraties, maken onderzoekers gebruik van absorptiespectra. Het satellietinstrument levert van ieder grondpixel het spectrum aan in vier golflengtebanden: kortgolvig ultraviolet (UV1), langgolvig ultraviolet en zichtbaar (UV2/VIS), nabij infrarood (NIR) en korte golf infrarood (SWIR). Ook stuurt Tropomi het gemeten lichtspectrum van de zon door. De spectra van de grondpixels worden gedeeld door het spectrum van het zonlicht, zodat je de lichtbron eruit haalt en alleen het absorptiespectrum van de atmosfeer overhoudt.

Vingerafdruk stoffen

Van alle stoffen die onderzoekers meten met Tropomi is bekend bij welke golflengtes deze stoffen licht absorberen. Zo heeft iedere stof zijn eigen absorptiespectrum, een soort vingerafdruk van deze stof. Onderzoekers gebruiken dit absorptiespectrum om het gemeten lichtspectrum mee te fitten. Wat ze hierbij eigenlijk doen, is kijken hoe je het absorptiespectrum zo kunt schalen dat dit het beste overeenkomt met het gemeten spectrum. Zo kun je de concentraties van de stoffen die je wilt meten bepalen.

Tabel 1: Overzicht van de stoffen die je kunt meten in de verschillende golflengtebanden van Tropomi.
*Sinds augustus 2019 is de pixelbreedte die eerst 7 km was, verlaagd naar 5,6 km.

Zelf rekenen met data

De metingen die Tropomi uitvoert, zijn vrij beschikbaar voor onderzoekers overal ter wereld. “Eigenlijk kan iedereen die het leuk vindt de data eenvoudig verwerken en bekijken“ vertelt Ilse Aben enthousiast. “In Google Earth Engine zijn steeds de data tot en met de vorige dag beschikbaar. Je hoeft deze data niet te downloaden, maar je kunt hiermee in de cloud berekeningen doen. Je kunt standaard programma’s laten draaien die de gegevens verwerken of zelf eenvoudige programma’s schrijven om op deze data los te laten. De resultaten kun je dan plotten. Het is echt heel laagdrempelig in het gebruik. Daarom laten wij er onze studenten regelmatig mee werken, maar je zou het ook kunnen gebruiken voor het maken van je profielwerkstuk.”

Afname vervuiling door coronamaatregelen

Wat hebben de data afkomstig van Tropomi al opgeleverd? Voorbeelden zijn er genoeg, maar een opvallend voorbeeld is wel dat Tropomi het mogelijk maakte om de afname van de luchtvervuiling als gevolg van de coronamaatregelen zichtbaar te maken. Door deze maatregelen was er een sterke vermindering van wegverkeer, vliegverkeer, scheepvaart en industriële activiteiten. Hierdoor nam de uitstoot van schadelijke stoffen af, waardoor er onder andere minder stikstofdioxide in de atmosfeer kwam. Tropomi legde deze verminderde stikstofconcentraties vast.

Vervuiling steden en industrie

Zo leverde de coronacrisis onbedoeld interessante informatie op voor onderzoekers. Ze konden de stikstofdioxideconcentraties van andere jaren vergelijken met die van het jaar 2020 om zo het effect van de coronamaatregelen te zien. Dat juist stikstofdioxide zo interessant is om te bestuderen, komt omdat het een stof is die heel goed plaatselijke vervuiling door het gebruik van fossiele brandstoffen zichtbaar maakt. Het heeft maar een korte levensduur in de atmosfeer en zal zich daarom niet zo ver verspreiden. Hierdoor kun je bij steden of op plekken met veel industrie heel goed de verhoogde concentraties stikstofdioxide zien, maar ook een eventuele vermindering als gevolg van coronamaatregelen.

Concentraties middelen

Toch kun je stikstofdioxideconcentraties op dezelfde dag, maar in een ander jaar niet zo maar één op één met elkaar vergelijken. De plaatselijke concentraties stikstofdioxide hangen namelijk niet alleen af van de hoeveelheid uitstoot bij de bron, maar ook van meteorologische omstandigheden: de temperatuur, windrichting en windsterkte. Daarom is bijvoorbeeld gekeken naar de gemiddelde stikstofdioxideconcentratie over meerdere dagen. En zijn er meteorologische metingen aan de grond en modellen gebruikt om de stikstofconcentraties met elkaar te kunnen vergelijken.

Figuur 4: Afname van stikstofdioxide-uitstoot over Europa in de periode januari-maart 2020, waarbij een duidelijke afname te zien is op de Povlakte in Italië (ongeveer 40% minder uitstoot ten opzichte van een jaar eerder). Bron: ESA.

CO-uitstoot bosbranden

Een ander voorbeeld van de toepassing van Tropomi zijn de grote bosbranden in Australië in 2019. “Bij grote bosbranden komt veel koolstofmonoxide vrij. Dit kon bij de branden in Australië met Tropomi gemeten worden,” vertelt Ilse Aben. “Hieruit kon zelfs ook bepaald worden hoeveel koolstofdioxide hierdoor in de atmosfeer kwam. Onderzoekers keken welke vegetatie er verbrandde. Door metingen aan branden op de grond van deze vegetatie konden ze achterhalen in welke verhouding er koolstofmonoxide en koolstofdioxide vrijkomt bij de verbranding. Als je dan de koolstofmonoxide-uitstoot door de branden vanuit de ruimte kunt bepalen, kun je hiermee ook de koolstofdioxide-uitstoot door de branden schatten.”

Methaanlekken opsporen

Ook is er een samenwerking met een Canadees bedrijf. Zij stuitten in 2019 bij toeval op een methaanlek in Turkmenistan. Ze waren eigenlijk in Turkmenistan op zoek naar emissies van een moddervulkaan – een soort modderpoel waar methaan uit opborrelt – en ontdekten toen bij toeval een methaanlek gerelateerd aan de olie- en gasindustrie. Het Canadese bedrijf deed hun methaanmetingen met een satelliet die kan inzoomen op een relatief klein gebied van 50 m x 50 m. “De Canadezen namen contact op met ons en toen wij terugkeken in onze TROPOMI-meetgegevens bleek dat we deze enorme methaanuitstoot ook konden zien,” vertelt Ilse Aben.

“De informatie over dit ‘lek’ is gecommuniceerd aan de autoriteiten in Turkmenistan en ruim een maand later zagen we opeens dat de methaanuitstoot niet meer zichtbaar was in onze metingen en konden we dus constateren dat het lek gestopt was. Na dit voorval zijn we intensiever gaan samenwerken met het Canadese bedrijf. Wij zoeken nu wereldwijd waar we verhoogde methaanconcentraties zien – we noemen dit hotspots. Deze hotspots geven wij door aan onze Canadese partners, zodat zij kunnen inzoomen om in meer detail te kijken waar het om gaat. Dit is een heel sterke combinatie. We kunnen zo goed in kaart brengen waar bijvoorbeeld ongelukken plaatsvinden in de olie- en gasindustrie en kunnen inschatten hoeveel methaan hierbij vrijkomt. En we kunnen bedrijven hierover informeren.”

Uitstoot grote zeeschepen

Een ander mooi voorbeeld van wat de data van Tropomi opleveren, is dat je hiermee de vervuiling van mega grote zeeschepen kunt meten. Dat dit gemeten kan worden, zou kunnen helpen bij de handhaving van de milieuwetgeving die eisen stelt aan de stikstofdioxide-uitstoot van zeeschepen. Het KNMI onderzocht of het mogelijk is om de schadelijke uitstoot van stikstofdioxide van individuele schepen te onderscheiden met de meetgegevens van Tropomi. Ze deden onderzoek in een gebied in de Middellandse Zee waar veel schepen varen. Ze combineerden de Tropomi-meetgegevens van stikstofdioxide met gegevens over de windsnelheid en -richting en met de gps-gegevens van de grootste zeeschepen (met een lengte groter dan 200 meter). Zo konden ze in het onderzochte gebied inderdaad de stikstofdioxide-uitstoot van een paar individuele schepen onderscheiden en ook de uitstoot van een aantal clusters van schepen.

Enorme vooruitgang

“Voordat Tropomi er was, moesten onderzoekers data middelen over een paar maanden om vervuiling van scheepsroutes te kunnen zien,” vertelt Ilse Aben. “Met de komst van Tropomi is het mogelijk om al in een dag de vervuiling te achterhalen, soms dus zelfs van een enkel groot schip. Dit laat wel zien wat een enorme vooruitgang er gemaakt is op dit gebied. Tropomi kan door het in kaart brengen van de verschillende stoffen in onze atmosfeer een belangrijk bijdrage leveren aan het onderzoek naar luchtvervuiling en de opwarming van de aarde.”