SCIAMACHY-sensor van Envisat maakt wereldwijde luchtvervuilingkaart
Menselijke activiteiten hebben grote invloed op de kwaliteit van de lucht. Dat blijkt uit deze zeer gedetailleerde atmosfeerkaart van de wereld, die stikstofdioxidevervuiling toont. De kaart is gebaseerd op achttien maanden observatie van ESA’s aardobservatiesatelliet Envisat. Envisat is met tien instrumenten aan boord de grootste milieusatelliet ter wereld en werd in februari 2002 gelanceerd.
Eén van de instrumenten aan boord is de SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography), die het spectrum van het zonlicht meet dat door de atmosfeer schijnt. Nadat deze informatie grondig gefilterd is, zijn speciale ‘absorberingsvingerafdrukken’ van gassporen in de lucht te zien.
Stikstofdioxide (NO2) is een gas dat vooral door de mens wordt geproduceerd en dat bij overmatige blootstelling longschade en ademhalingsproblemen kan veroorzaken. Het speelt ook een belangrijke rol in de atmosferische chemie, omdat het tot de productie van ozon in de troposfeer leidt. De troposfeer is het laagste deel van de atmosfeer dat zich tot tussen de acht en zestien kilometer boven de grond uitstrekt. Stikstofdioxide wordt geproduceerd door uitstoot van elektriciteitscentrales, zware industrie en wegtransport, net als door verbranding van biomassa. Stikstofdioxide wordt ook door de natuur gecreëerd door bliksem in de lucht en door activiteit van microben in de aarde.
Plaatselijke metingen van atmosferische stikstofdioxide worden in veel westelijke industriële landen uitgevoerd, maar gegevensbronnen op de grond zijn over het algemeen schaars.
De enige manier om effectieve wereldwijde controle uit te voeren is vanuit de ruimte. Het GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) demonstreerde voor het eerst dat satellieten troposferische stikstofdioxide kunnen waarnemen op de ERS-2 van ESA. GOME was echter slechts een voorganger op kleine schaal van de door Duitsland, Nederland en België gefinancierde SCIAMACHY die aan boord van Envisat vliegt.
Hoewel beide instrumenten op dezelfde manier functioneren heeft GOME een beperkte ruimtelijke resolutie van slechts 320 x 40 kilometer, vergeleken met een kenmerkende 60 x 30 kilometer van SCIAMACHY, die ook de atmosfeer vanuit twee verschillende oogpunten observeert – naar beneden of ‘nadir’ maar ook ‘limb’ observaties in de vliegrichting – en een aanmerkelijk groter spectraal gebied heeft dan zijn voorganger.
Teams van de universiteiten van Bremen en Heidelberg in Duitsland, het Belgisch Instituut voor Ruimte Aëronomie (BIRA-IASB) en het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI) hebben gegevens van SCIAMACHY succesvol verwerkt en zode scherpste kaarten tot nu toe gemaakt van verticale kolommen van troposferische stikstofdioxide.
“De hogere ruimteresolutie die door SCIAMACHY geleverd wordt, betekent dat we in deze wereldwijde beelden veel detail zien, waarbij zelfs individuele bronnen van steden worden verklaard”, zei Steffen Beirle van het Instituut voor Milieu- en natuurwetenschappen van de Universiteit van Heidelberg, die verantwoordelijk is voor de hierboven getoonde kaart.
“Hoge verticale kolomdistributies van stikstofdioxide worden met grote steden in Noord-Amerika en Europa geassocieerd, maar ook met andere plaatsen zoals Mexico City in Centraal Amerika en de Zuid-Afrikaanse op steenkool werkende energiecentrales die dicht op elkaar in het oostelijke Highveldplateau van dat land zijn geplaatst.
“Verder wordt een zeer hoge concentratie boven Noordoost-China gevonden. Ook kan door heel Zuidoost-Azië en in grote gedeelten van Afrika stikstofdioxide gezien worden die door verbranding van biomassa is geproduceerd. Op sommige plaatsen zijn sporen van schepen zichtbaar, kijk maar naar de Rode Zee en de Indische Oceaan tussen het zuidelijkste punt van India en Indonesië. De rokende schoorstenen van schepen die deze routes kruisen sturen een grote hoeveelheid NO2 de troposfeer in.
Deze kaart is het gemiddelde van alle beschikbare gegevens over een periode van 18 maanden. Dit zorgt ervoor dat seizoensverschillen van het verbranden van biomassa kleiner worden, net als de verschillen door menselijke activiteitsveranderingen door het jaar heen.”
Net als GOME werkt SCIAMACHY door het observeren van in de atmosfeer verspreide ultraviolette, zichtbare en infrarode straling. Het moeilijke werk begint op aarde, waar onderzoekers proberen heel zwakke absorptiepatronen van gassporen in het totale spectrum van verstrooid licht terug te vinden, een prestatie die zich laat vergelijken met het vinden van een speld in een hooiberg.
De methode die zij gebruiken heet DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy), wat eigenlijk een complex filterproces is dat ook wordt gebruikt door luchtbemonsteringsinstrumenten op de grond. DOAS verwijdert de overheersende spectrale ‘ruis’ van de Rayleigh-verstrooiing van licht in luchtdeeltjes (hetzelfde fenomeen dat ervoor zorgt dat de lucht er blauw uitziet) en als de absorptiepatronen van de zuurstof-, stikstof- en watermoleculen waar het grootste deel van de atmosfeer uit bestaat.
Wat na deze reductie achterblijft is het gewenste ‘signaal’ van kleinere spectrale absorptiepatronen van gassporen die door vergelijking met dwarsdoorsneden van monsters geïdentificeerd moeten worden. Deze techniek is, wanneer hij op de resultaten van SCIAMACHY wordt toegepast, gevoelig genoeg om kolommen terug te vinden met minder dan een paar deeltjes stikstofdioxide per miljard luchtdeeltjes. Ter vergelijking: boven sterk vervuilde agglomeraties zoals Londen kan de mengverhouding van NO2 waarden bereiken van wel honderd deeltjes per miljard. Stikstofdioxidekaarten zoals degene die hier getoond is, zijn met behulp van nadir-peilingsgegevens geproduceerd. Hoewel NO2 door de troposfeer heen zeer varieert, is het door de bovenste laag van de dampkring, de stratosfeer, gelijk verdeeld. Dus werden stikstofdioxideniveaus die waren gemeten boven de meest afgelegen delen van de Stille Oceaan gebruikt om een algemene kolom van stratosferische stikstofdioxide te bepalen, die van de wereldwijde gegevens kon worden afgetrokken om troposferische verticale kolomwaarden te bepalen.
“Resultaten van deze en andere sensors kunnen gebruikt worden voor voorspellingen van de scheikundige weer- en luchtkwaliteit in de toekomst”, voegde Beirle toe. “Op dit moment concentreren we ons op het kwantificeren van verschillende bronnen van stikstofdioxide die uit de data van SCIAMACHY naar voren komen. Bijvoorbeeld verbranding van fossiele brandstoffen, verbranding van biomassa en bliksem. Die laatste zeker, aangezien de waarde van bliksem nog erg onduidelijk is.”
Over SCIAMACHY
SCIAMACHY is een spectrometer die de lucht in een zeer groot golflengtegebied in kaart brengt. Dat maakt de waarneming van gassporen, ozon en verwante gassen, wolken en stofdeeltjes door de hele atmosfeer mogelijk. Hij werkt met metingen van zonlicht dat is overgebracht, gereflecteerd en verspreid door de atmosfeer of het oppervlak van de aarde in het ultraviolette, zichtbare en bijna ultraviolette stralingsgolflengtegebied. Met een aftaststrook van 960 km beslaat hij elke zes dagen de hele aarde.
Dit veelzijdige instrument vertegenwoordigt een nationale bijdrage aan de Envisat-missie van ESA. Het is gefinancierd door de Duitse regering via het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), door de Nederlandse regering via het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart (NIVR) en ook door de Belgische regering via BIRA-IASB.
John Burrows van het Instituut voor Milieu- en natuurwetenschappen aan de universiteit van Bremen kreeg als eerste het idee van SCIAMACHY. Hij dient nu als Principal Investigator ervan. SCIAMACHY is onderdeel van een familie van atmosferische spectrometers waar ook GOME op ERS-2 toe behoort, net als het verwachte GOME-2 instrument dat volgend jaar met de eerste MetOp missie gelanceerd wordt.
