Medewerkers van een Canadees bedrijf ontdekten in 2019 in Turkmenistan bij het zoeken naar een moddervulkaan – een soort modderpoel waar methaan uit opborrelt – bij toeval een methaanlek bij een gascompressorstation. Ze deden hun methaanmetingen met een satellietinstrument dat kan inzoomen op een relatief klein gebied (grondpixels van 50 m x 50 m). De Canadezen namen contact op met de onderzoekers van Tropomi en vroegen hen of zij het lek hiermee ook konden zien.
Dagelijkse meting concentraties
Wat bleek? Ook in de gegevens afkomstig van het satellietinstrument Tropomi, die metingen doet over grotere oppervlaktes en dus grotere grondpixels heeft, waren de verhoogde methaanconcentraties als gevolg van het lek te zien. Dit was goed nieuws, want waar het Canadese meetinstrument alleen metingen uitvoert op kleine stukjes aardoppervlak – 10 km bij 10 km – meet Tropomi elke 24 uur de methaanconcentraties over het gehele aardoppervlak. Dat je hiermee dit soort lokale methaanlekken kunt opsporen, was een belangrijke opsteker voor het Tropomi-team. Later ontdekten zij ook een methaanlek in de Verenigde Staten in Ohio. Bovendien toonden metingen met Tropomi aan dat er in het grootste olieproducerende gebied in de VS, Permian Basin, veel meer methaan weglekte dan was ingeschat.
Nederlands meetinstrument
Tropomi – voluit TROPOspheric Monitoring Instrument genoemd – is een satellietinstrument waarmee je de luchtkwaliteit in de atmosfeer vanuit de ruimte kunt meten. Het instrument is vrijwel helemaal gebouwd en ontwikkeld in Nederland. Het project was een samenwerking tussen de bedrijven TNO en Airbus Nederland, de onderzoeksinstituten KNMI en SRON , het Nederlandse ruimte-agentschap NSO, en het Europese ruimtevaartinstituut ESA (European Space Agency).
Ervaring ontwikkelen meetinstrument
Nederland heeft een indrukwekkende geschiedenis in het ontwikkelen van meetinstrumenten die de luchtkwaliteit kunnen meten vanuit de ruimte. Ook de voorlopers van Tropomi, de OMI (Ozone Monitoring Instrument) en SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CartograpHY) zijn hier ontworpen en gebouwd. Tropomi is ontwikkeld om het gat te vullen tussen de OMI, die aan het eind van zijn levensduur zou komen en het nieuw te ontwikkelen meetinstrument voor het project Sentinel-5, dat naar verwachting in 2023 gelanceerd zal worden.
Nauwkeuriger meten
“Het meetinstrument OMI kan minder precies meten dan Tropomi”, vertelt Nick van der Valk. Hij is natuurkundige en was betrokken bij het ontwerp van Tropomi vanuit zijn werk bij TNO in Delft. Het was zijn taak om bij het ontwerp van het instrument te zorgen dat alles in het instrument op elkaar was afgestemd: de mechanica, optica en de elektronica. “Met OMI kun je metingen doen over een gebied van 21 km bij 28 km, waarbij Rotterdam dus ongeveer één pixel is”, vervolgt Nick van der Valk. “Bij het ontwerp van Tropomi was de wens om veel nauwkeuriger te kunnen meten, op gebiedjes van maar 7 km bij 7 km, zodat je zelfs op wijkniveau de luchtkwaliteit kunt meten.” Uiteindelijk bleek Tropomi zo goed te werken, dat de aanvankelijke meettijd van één seconde gereduceerd is tot 0,8 seconde. Omdat ook de signaalsterkte goed was en het mogelijk bleek om meer data te bewaren, kan nu gemeten worden over een gebied van slechts 3,5 km x 5,6 km.
Ontwikkeling tijdrovend
De ontwikkeling van Tropomi kostte veel tijd. Eerst werd met de toekomstige gebruikers bepaald welke wensen er waren aan het nieuwe meetinstrument. Er volgden studies om te onderzoeken welke technieken beschikbaar waren en om te achterhalen of hiermee de eisen haalbaar waren. Daarna volgde de ontwerpfase en de bouw van het instrument, waarbij Airbus Nederland in Leiden de hoofdaannemer was. “TNO was nauw betrokken bij het hele project. Wij hebben het optische en mechanische deel uitgewerkt, dus het lenzen- en spiegelsysteem en het mechanische deel dat nodig is voor het vasthouden van alle onderdelen”, vertelt Nick van der Valk enthousiast. “Ook zijn wij betrokken geweest bij het testen van het meetinstrument. Op 13 oktober 2017 is de satelliet Sentinel-5 Precursor met aan boord Tropomi gelanceerd.”
In 100 minuten om de aarde
Nu cirkelt de satelliet met hierin Tropomi op een hoogte van 824 kilometer elke 100 minuten rond de aarde. Het instrument heeft een enorm groot hoekbereik: het voert telkens metingen uit aan een strook van wel 2600 km bij 5,6 km. In 24 uur verzamelt Tropomi zo metingen over het gehele aarde. Uit deze metingen kunnen onderzoekers momenteel de concentraties van stikstofdioxide (NO2), formaldehyde (CH2O), koolstofmonoxide (CO), ozon (O3), methaan (CH4) en zwaveldioxide (SO2) afleiden.
Figuur 2: Animatie van de satelliet met aan boord Tropomi, die in 24 uur de hele aarde scant om beelden te maken van de concentraties van verschillende stoffen in de atmosfeer. Bron: ESA/ATG.
Absorptie in atmosfeer
Wat is het principe van het meetinstrument Tropomi? Tropomi meet de concentraties van verschillende stoffen in onze atmosfeer. Dit gebeurt door het spectrum van direct zonlicht te meten en dit te vergelijken met het gemeten spectrum van indirect zonlicht. Hierbij is het indirecte zonlicht het licht dat vanaf de zon door de atmosfeer naar de aarde is gegaan en vervolgens weer teruggekaatst wordt en via de atmosfeer het meetinstrument bereikt. Bij het passeren van de atmosfeer zal een deel van het zonlicht worden geabsorbeerd door de verschillende stoffen die zich in de atmosfeer bevinden.
Molecuul specifiek
Welke golflengtes in de atmosfeer geabsorbeerd worden, hangt af van de stoffen die hierin aanwezig zijn. Omdat moleculen van verschillende stoffen verschillend zijn opgebouwd en andere bindingen hebben, heeft ieder molecuul zijn eigen specifieke golflengtes die het kan absorberen. Methaan bijvoorbeeld, absorbeert vooral bij specifieke golflengtes in het infraroodgebied. Zit er bij een meetpunt veel methaan in de atmosfeer, dan zie je wanneer je het directe spectrum van de zon vergelijkt met het indirecte spectrum, dat er bij deze golflengtes een dip in de grafiek zit. De diepte van deze dip is dan een maat voor de concentratie. Zo kun je dus door het vergelijken van de spectra bij elke meting precies zien welke stoffen er in welke concentraties in de atmosfeer zitten.
Opbouw instrument
Het ontwerpen en bouwen van een spectrometer als satellietinstrument was behoorlijk ingewikkeld. “Eerst hebben we overlegd met wetenschappers om te bepalen aan welke eisen het instrument allemaal zou moeten voldoen, onder andere bij welke golflengtes zij zouden willen meten en met welke resolutie”, legt Nick van der Valk uit. “Op basis van al deze eisen hebben wij een ontwerp gemaakt voor Tropomi. Daarbij is ervoor gekozen om het meetinstrument op te bouwen uit vier spectrometers die ieder in een eigen golflengtegebied meten. Eén spectrometer voor kortgolvig ultraviolet licht (UV1, 270-320 nanometer), één voor langgolvig ultraviolet en zichtbaar licht (UV2/VIS, 320-495 nanometer), één voor nabij-infrarood (NIR, 675-775 nanometer) en ten slotte één voor kortgolvig infrarood (SWIR, 2305-2385 nanometer).”
Figuur 4: Animatie waarin je ziet hoe licht vanuit atmosfeer binnenkomt bij Tropomi en intern door de spectrometers gaat. Bron: YouTube.
Optische onderdelen
Het licht vanaf de aarde komt binnen bij Tropomi, waarna er met lenzen en spiegels een afbeelding van de aarde gemaakt wordt. Deze afbeelding gaat door een spleet, om te zorgen dat je precies een gebied van 2600 km bij 5,6 km op aarde bekijkt. Uit deze afbeelding wordt met optische elementen een scheiding gemaakt tussen vier golflengtegebieden, het licht wordt gesplitst in vier kanalen. Een kortgolvig uv-kanaal (UV1), een langgolvig-uv- en zichtbaarlichtkanaal (UV2/VIS), een nabij-infraroodkanaal (NIR) en een kortgolvig-infraroodkanaal (SWIR). Vanuit elk kanaal gaat het licht vervolgens naar een spectrometer die specifiek ontworpen is voor dit golflengtebereik.
Licht uiteenrafelen
In de spectrometers worden alle golflengtes binnen het kanaal met behulp van een tralie uit elkaar gehaald. De afzonderlijke golflengtes worden dan afgebeeld op een detector die van iedere golflengte gedurende 0,8 seconde de intensiteit meet. Zo kun je met de informatie uit de spectrometers een afbeelding maken met op de x-as de positie op aarde, op de y-as de golflengtes en op de z-as de lichtintensiteit.
Uit de meetgegevens van alle spectrometers samen kan zo voor elk gemeten punt op aarde het spectrum bepaald worden voor de golflengtegebieden waarop Tropomi ontworpen is. Dit spectrum kan vergeleken worden met het spectrum van de zon. Door te kijken waar dipjes zitten in het spectrum en hoe diep deze zijn, kunnen onderzoekers bepalen hoeveel absorptie er heeft plaatsgevonden als gevolg van specifieke stoffen in de atmosfeer. Uit deze absorptie-informatie kunnen dan de concentraties in de atmosfeer bepaald worden.
Tralie
Een tralie is een optisch element waarmee je een lichtbundel die bestaat uit meerdere golflengtes kunt splitsen in bundels met verschillende golflengtes die onder verschillende hoeken meetbaar zijn. Een tralie is meestal een plaatje waar heel nauwkeurig kleine spleten in zijn aangebracht met een vaste opening en tussenafstand.
Figuur 6: Optische tralie waar licht met één golflengte op valt.
Door de smalle spleten ontstaan er als het ware allemaal afzonderlijke puntlichtbronnen. Vanaf elke spleet zal het licht zich concentrisch verspreiden. Daar waar het licht van aangrenzende punten in fase is, zal het elkaar versterken. Zo ontstaat een interferentiepatroon, dat voor elke golflengte net iets anders is. Afhankelijk van de tussenafstand tussen de spleten, zal het licht van iedere golflengte onder een andere hoek versterkt worden. Met een tralie kun je een lichtbundel bestaande uit meerdere golflengtes dus scheiden in afzonderlijke bundels.
Bij Tropomi is voor alle drie de spectrometers (UV1, UV2/VIS en NIR) gebruikgemaakt van tralies. Voor de SWIR-spectrometer is zelfs gebruikgemaakt van een verzonken tralie. Bij deze tralies zijn heel fijne spleten aangebracht op de binnenkant van een prisma. Hierdoor wordt het licht niet alleen uit elkaar getrokken door de tralies, maar ook nog door de brekingsindex van het prisma. De verzonken tralie is speciaal ontwikkeld voor instrumenten zoals Tropomi en heeft het voordeel dat ze het licht veel verder uit elkaar kunnen trekken (ze hebben een ongeveer driemaal hogere dispersie). Bovendien hebben ze een hogere invalshoek voor de straling. Hierdoor is de lengte die je nodig hebt voor de lichtweg in het meetinstrument veel korter. Dit scheelt veel volume en massa, een groot pluspunt voor een satellietinstrument dat je het liefst zo klein en licht mogelijk maakt.
Vrijevormoptiek
“Omdat we een instrument moesten ontwerpen dat op een satelliet om de aarde zou gaan draaien, waren er twee belangrijke aspecten waar we rekening mee moesten houden”, vervolgt Nick van der Valk. “Dat was het realiseren van een korte meettijd om de breedte van het grondpixel klein te houden en ervoor zorgen dat het gehele instrument zo licht mogelijk zou worden. Om het instrument zo licht mogelijk te maken, hebben we onder andere heel precies gekeken hoe we het aantal optische elementen, zoals spiegels, in het systeem konden beperken. Dat kon bijvoorbeeld door gebruik te maken van vrijevormoptiek. Door gewone spiegels te vervangen door vrijevormspiegels, hebben we het aantal spiegels tot ongeveer de helft kunnen reduceren. Dat maakt het instrument een stuk compacter en lichter.” Het maken van dit type vrijevormspiegels is mogelijk geworden, omdat er speciale computerprogramma’s zijn waarmee je dit soort spiegels kunt ontwerpen. Ook zijn er steeds meer apparaten die extreem nauwkeurig optische onderdelen kunnen maken en meten.
Levensduur beperkend
Wat bepaalt nu de levensduur van een instrument zoals Tropomi? “Eigenlijk zijn er twee belangrijke oorzaken, waardoor het instrument uiteindelijk niet meer werkt”, vertelt Nick van der Valk. “Als eerste gaan door de verhoogde straling in de ruimte langzamerhand steeds meer pixels van de detectoren kapot. Als dit er te veel zijn, dan zullen er te veel gaten vallen in het totaalplaatje van de aarde. De tweede oorzaak ligt bij de satelliet. Wanneer de besturing van de satelliet niet meer in staat is de satelliet in de juiste positie te brengen om het meetinstrument naar de aarde te richten, dan is meten helemaal niet meer mogelijk.”
Tropomi is een handig satellietinstrument, waarmee wetenschappers heel precies onderzoek kunnen doen naar luchtvervuiling op wereldwijde schaal. En waarmee ze zelfs lokale vervuilende bronnen kunnen opsporen, zoals in de Verenigde Staten en Turkmenistan!
