Luchtkwaliteit meten vanaf 700 kilometer hoogte

Klimaatverandering en luchtkwaliteit

De vakgroep Research & Development Satelliet Waarnemingen bij het KNMI bestaat uit ongeveer 60 mensen die zich dagelijks bezig houden met het verkrijgen, verwerken en interpreteren van satellietwaarnemingen. Deze vakgroep houdt zich bezig met zowel de ontwikkeling van het satellietinstrument tot aan het operationele gebruik ervan. Op basis van de satellietmetingen en computermodellen worden zonkracht- en luchtkwaliteitverwachtingen gemaakt (GOME2, OMI), wolkeneigenschappen afgeleid (SEVIRI) en wind stromingen boven zee bepaald (ASCAT). Ook gebruiken onderzoekers de satellietmetingen om de uitstoot van vervuilingsbronnen te bepalen. De vakgroep is bedreven in de ‘standaard' satelliet metingen, dus het bekijken van het gereflecteerde zonlicht of infrarood straling met een spectrometer of imager, maar is ook verbonden aan een groot aantal Europese actieve missies. Dit zijn satelliet instrumenten, zoals radars en lidars, die het waargenomen licht eerst zelf uitgezonden hebben voor ze het gereflecteerde licht meten.

Data assimilatie

Al enkele decennia lang is het KNMI betrokken bij het verstrekken van windgegevens berekend uit satelliet data van scatterometer instrumenten. Een scatterometer richt zijn radar onder verschillende hoeken op het zeeoppervlak en berekent uit de hoeksafhankelijke weerkaatsing informatie over de wind snelheid en richting. Deze operationele data stroom wordt nationaal en internationaal gebruikt om meteorologische en oceanografische modellen aan te sturen door middel van data assimilatie. Daarnaast heeft de vakgroep vanaf de ontwerpfase een belangrijke rol gehad bij twee toekomstige ESA lidar missies: AEOLUS 2017 en EarthCARE 2018. Waar de eerste zich concentreert op verticale wind profielen richt EarthCARE zich op de interactie tussen wolken, aerosolen en straling. De grootste projecten binnen de vakgroep zijn het huidige meetinstrument OMI en zijn opvolger TROPOMI die in 2016 wordt gelanceerd.

OMI: Ozone Monitoring Instrument

Het meetinstrument OMI bevindt zich aan boord van de satelliet EOS-Aura van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en cirkelt op zo’n 700 km hoogte door de ruimte. Het is een (bijna) oer-Hollands hoogstandje. ‘In principe is OMI voor 5 jaar gebouwd, maar we zijn inmiddels 11 jaar verder, en hij doet het nog steeds’, lacht professor Pieternel Levelt. Zij is vakgroepmanager Research & Development Satelliet Waarnemingen en heeft de wetenschappelijke leiding over het satellietinstrument OMI en het verwerken van de gegevens. ‘In feite is OMI een spectrometer. We meten zonlicht dat gereflecteerd wordt aan het aardoppervlak en verstrooid en geabsorbeerd wordt door de atmosfeer.’

TROPOMI

Het nieuwe van OMI, en dat is echt een verandering met alle instrumenten daarvoor, is dat we met die brede kijkhoek elke dag de hele wereld op stadse resolutie in kaart kunnen brengen. Het is een goed instrument gebleken en de data wordt niet alleen in Nederland, maar ook in heel Europa, de VS en China gebruikt’. Het is een Nederlands-Fins instrument dat ontworpen en gebouwd is door Dutch Space onder leiding van het Netherlands Spaceoffice (NSO) en in samenwerking met TNO en de Finse industrie. ‘Het optische stuk is ontworpen en gebouwd in Nederland. Wij Nederlanders zijn goed in optische instrumentatie. De opvolger van OMI, TROPOMI, staat al klaar om de ruimte in te gaan. Dan zullen OMI en TROPOMI zeker een jaar naast elkaar bestaan’, licht Pieternel toe.

‘Het KNMI heeft alle kennis in huis over satellietwaarnemingen’

Pieternel Levelt

Real time metingen

OMI volgt de volledige atmosfeer zeer gedetailleerd. De metingen worden naar de grondstations in de buurt van de polen gestuurd om vervolgens bij het KNMI te komen. Daar worden de ruwe metingen omgezet in concentraties van atmosferische stoffen. ‘Op onze site www.temis.nl staan alle data. Real time. Dat betekent dat de data 3 uur na meting op de site staan en dan hebben we er ook al een kaartje van gemaakt. Ook anderen kunnen kaarten maken op basis van onze data. Hiermee voldoet OMI aan de Europese open data policy, iedereen mag deze data, gratis, wereldwijd downloaden’, aldus Pieternel. De gegevens worden gebruikt voor het maken van verwachtingen van luchtkwaliteit en voor het uitgeven van waarschuwingen.

Dikte van de ozonlaag

Door de satelliet kunnen wekenlang de door vulkanen uitgestoten as wolken worden gevolgd. Deze gegevens worden gebruikt voor bijvoorbeeld het aanpassen van vliegtuigroutes na een vulkaanuitbarsting. Daarnaast wordt de dikte van de ozonlaag tot in de kleinste details in kaart gebracht. ‘Dat is van belang voor het onderzoek naar klimaatveranderingen en het broeikaseffect, maar ook voor onze gezondheid. Een van de belangrijkste producten van OMI is echter de dagelijkse concentratie van stikstofdioxide (NO2) in de wereld. Vanuit de ruimte wordt de NO2- productie door bijvoorbeeld verkeer, industrie, elektriciteitscentrales, scheepvaart en bosbranden goed waargenomen. Door naar lange meetseries te kijken zie je hoe luchtkwaliteit maatregelen en economische ontwikkelingen effect hebben op luchtvervuiling’, licht Pieternel toe.

Luchtkwaliteit

Bas Mijling, luchtkwaliteitdeskundige, brengt aan het eind van het productieproces in kaart hoeveel er initieel uitgestoten is en rekent terug naar de emissiebronnen. ‘Zo krijg je een beter beeld over waar de bron zit die de luchtvervuiling veroorzaakt. Daar komen allerlei aspecten bij kijken. Zo zijn we afhankelijk van meteorologie, want soms lijkt het ‘schoon’ maar kunnen de vervuilingspluimen verwaaid zijn, of het heeft geregend’, legt Bas uit. ‘Als je eenmaal weet waar de emissiebronnen zitten en hoe sterk ze zijn, kun je ook luchtkwaliteitmodellen verbeteren. Zo verbeteren wij ook de luchtkwaliteitverwachting, en leveren wij input voor de luchtkwaliteit-app van het RIVM’, vertelt Bas.

‘Met de satellietdata en mijn algoritme brengen we de vervuiling in kaart’

Bas Mijling

Alle specialiteiten

‘We moeten hier alle specialiteiten in huis hebben. Van het definiëren van de eisen aan het instrument tot het operationeel gebruik ervan. We testen ook uitgebreid. Want als het instrument eenmaal gelanceerd is kun je er niet meer heen. Dat is één van de redenen dat satellietinstrumenten duurder zijn dan instrumenten op de grond. Echter, ze meten ook elke dag wereldwijd, wat een grondinstrument niet kan’ vertelt Pieternel.

Software eisen

‘We krijgen hier heel veel data binnen, die data moet binnen 3 uur verwerkt zijn tot leesbare metingen. Dat stelt eisen aan je ICT. We hebben daar algoritmes voor ontwikkeld. Maar dan ben je er nog niet. Het stelt ook eisen aan je software. Van de 60 mensen zijn er voor TROPOMI 15 ingehuurd van diverse softwarebedrijven. Dat is namelijk niet de kernexpertise van het KNMI maar we moeten het wel aansturen. Voor TROPOMI is de 3 uur grens een nog grotere uitdaging dan voor OMI, omdat het instrument met een veel hogere nauwkeurigheid en met sub-stadse resolutie gaat meten. We kunnen dan de luchtvervuiling van de haven van Rotterdam onderscheiden van het centrum van Rotterdam.’

Grondmetingen combineren met satellietmetingen

Het KNMI verwacht dat de onafhankelijke satellietmetingen meer gebruikt zullen worden bij de regelgeving op uitstoot. Nu worden er vaak grondmetingen gedaan door de industrie zelf of overheidsorganisaties. Pieternel: ‘Het probleem hiermee is dat de grondinstrumenten niet onderling wereldwijd vergeleken zijn, waardoor er verschillen kunnen ontstaan die instrument afhankelijk zijn. Doordat één satellietinstrument wereldwijd kan meten geeft dit een onafhankelijke check. Bas: ‘We zijn ook bezig met alternatieve manieren om luchtkwaliteit vanaf de grond beter te meten. De volgende toekomstige stap is de grondmetingen combineren met satellietwaarnemingen. Juist door het integreren krijg je een completer beeld’.

Internationaal belang

Pieternel: ‘Met de opvolger van OMI, TROPOMI, gaan we, naast de stoffen die OMI meet, ook nog methaan en koolmonoxide meten. Met deze wereldwijde satellietmetingen kan ik me nauwelijks voorstellen dat ze geen rol gaan spelen in de controle van emissies die van belang zijn voor luchtkwaliteit en klimaat. Hoewel het een moeilijke discussie had kunnen worden als je met een Europees instrument iets meet boven bijvoorbeeld China, zien we gelukkig dat China ook bezig is met ontwikkelen van eigen satellietinstrumentatie. Wij werken ook al enkele jaren samen met China op het gebruik van de satellietdata ten behoeve van luchtkwaliteit. Uiteindelijk is het belang van luchtkwaliteit en klimaat internationaal’.

Bij de vakgroep Research & Development satellietwaarnemingen werken in totaal zo’n 60 mensen. Uiteenlopend van Wiskundigen, meteorologen, natuurkundigen, chemici en sterrenkundigen. Verspreid door het jaar zijn er regelmatig vacatures voor bijvoorbeeld projectmedewerkers en onderzoekers.