Stikstofdioxide sonde
Stikstofdioxide sonde
Eén zo’n gas dat gemeten wordt is stikstofdioxide (NO2). De grote kracht van satellietmetingen, is dat deze instrumenten in één dag tijd de hele aarde bekijken. Echter, er zijn metingen vanaf de grond nodig om een satellietinstrument te kunnen controleren op juistheid. Er bestaat een wereldwijd netwerk met instrumenten die stikstofdioxide dichtbij de grond meten. Maar er zijn heel weinig instrumenten die stikstofdioxide hoger in de lucht meten. De stikstofdioxide sonde kan dit wel. In dit artikel wordt duidelijk waarom het belangrijk is om stikstofdioxide te meten, waarom de stikstofdioxide sonde belangrijk is voor satelliet metingen en hoe de stikstofdioxide sonde nou precies werkt.

Waarom stikstofdioxide metingen?
Stikstofdioxide (NO2) is een giftig rood/bruin gekleurd gas (zie figuur 1), dat voornamelijk door de mens wordt uitgestoten en in de atmosfeer terecht komt (antropogene emissies). Stikstofdioxide komt vrij bij de verbranding van fossiele brandstoffen in verbrandingsmotoren van o.a. auto’s en vliegtuigen, maar ook industrie en energiecentrales spelen hier een belangrijke rol in.

Hoge concentraties stikstofdioxiden kunnen onder andere de ademhaling verstoren, longoedeem veroorzaken en kunnen op langere termijn leiden tot afbraak van het zenuwstelsel. Stikstofdioxide is een indirect broeikasgas (het is zelf geen broeikasgas, maar kan wel het broeikasgas ozon vormen), is een veroorzaker van fotochemische smog en vormt zure regen in de vorm van salpeterzuur (HNO3). De meeste stikstofdioxide komt voor in de eerste paar honderd meter van onze atmosfeer, ook wel de grenslaag genoemd. Dat is de atmosfeerlaag waar wij in leven. Reden genoeg om stikstofdioxide in de atmosfeer te meten, te bepalen waar de emissiebronnen zich bevinden en op welke hoogte hoeveel stikstofdioxide in de atmosfeer voorkomt.
Figuur 1: Door een lek in een salpeterzuurfabriek van DSM in Geleen is op 9 april 2010 een grote hoeveelheid stikstofdioxide ontsnapt. De rood/bruine wolk is stikstofdioxide. Bron: http://www.nu.nl/algemeen/2222048/gifwolk-drijft-zuid-limburg.html
Figuur 1: Door een lek in een salpeterzuurfabriek van DSM in Geleen is op 9 april 2010 een grote hoeveelheid stikstofdioxide ontsnapt. De rood/bruine wolk is stikstofdioxide. Bron: http://www.nu.nl/algemeen/2222048/gifwolk-drijft-zuid-limburg.html

Waarom een stikstofdioxide sonde?
Verscheidende milieusatellieten vliegen in een baan om de aarde. Deze satellieten hebben instrumenten aan boord, die de chemische samenstelling van de atmosfeer meten. Eén van deze instrumenten is het Ozone Monitoring Instrument (OMI) op de Aura satelliet van NASA. OMI is gebouwd door Nederland en Finland. Behalve ozon (O3) en verscheidene andere gassen, meet OMI ook stikstofdioxide. De grote kracht van satellietmetingen is dat ze in één dag tijd de hele atmosfeer van de aarde kunnen meten. Het nadeel van satellietmetingen is echter bewolking, waar deze instrumenten niet doorheen kunnen kijken. De meeste vervuiling komt voor in de onderste paar honderd meter van de atmosfeer, die zich vaak onder de bewolking bevindt.

Het OMI instrument meet de totale kolom stikstofdioxide in de atmosfeer (vanaf de top van de atmosfeer tot aan de grond). Echter, men weet dan nog niet op welke hoogte stikstofdioxide voorkomt. Er worden aannamen gemaakt voor de verticale verdeling van stikstofdioxide aan de hand van model berekeningen. Dit zijn echter aannamen, die nog getoetst moeten worden op waarheid - dat heet validatie. Juist voor deze validatie is de stikstofdioxide sonde ontwikkeld op het KNMI.

De stikstofdioxide sonde wordt opgelaten aan een weerballon gevuld met helium, en meet het verticale profiel van stikstofdioxide tot een hoogte van ongeveer 15 kilometer. De sonde heeft een stijgsnelheid van 5 meter per seconde, en heeft een resolutie van 5 meter (elke 5 meter een meetpunt). Elke stikstofdioxide sonde wordt om 12:30 Locale Tijd opgelaten, dat is ongeveer het moment dat het OMI instrument over Nederland heen vliegt. Figuur 2 toont een sonde oplating.
Figuur 2: Foto vanaf de grond, de stikstofdioxide sonde is net gelanceerd.
Figuur 2: Foto vanaf de grond, de stikstofdioxide sonde is net gelanceerd.

De werking van de stikstofdioxide sonde
Een sonde is in dit geval een onbemand meetinstrument, dat zonder bediening door een persoon metingen kan uitvoeren. De sonde wordt opgelaten aan een weerballon gevuld met helium. Tijdens de vlucht wordt gemeten hoeveel en op welke hoogte in de atmosfeer stikstofdioxide voorkomt. Voor het meten van stikstofdioxide maakt de sonde gebruik van een chemische reactie genaamd chemoluminescentie. Bij veel chemische reacties komt er energie vrij in de vorm van warmte; dat worden exotherme reacties genoemd. Chemoluminescentie is ook een exotherme reactie, maar in plaats van warmte komt er licht vrij. De kleur van het licht dat vrijkomt bij deze reactie is violet/blauw en heeft een golflengte van ongeveer 425 nm. De werkzame stof van deze reactie is luminol. De hoeveelheid licht die gemeten wordt is direct evenredig met de concentratie stikstofdioxide.

Ook in de natuur komt chemoluminescentie voor, denk bijvoorbeeld aan de vuurvlieg, zie figuur 3. Wanneer chemoluminescentie in een levend organisme voorkomt, wordt dit ook wel bioluminescentie genoemd.
Figuur 3: Voorbeelden van chemoluminescentie die voorkomen in de natuur. In een levend organisme wordt het ook wel bioluminescentie genoemd. Links boven en onder een vuurvliegje met licht aan en licht uit. Rechts een foto van een soort mos dat licht geeft.
Figuur 3: Voorbeelden van chemoluminescentie die voorkomen in de natuur. In een levend organisme wordt het ook wel bioluminescentie genoemd. Links boven en onder een vuurvliegje met licht aan en licht uit. Rechts een foto van een soort mos dat licht geeft.

Het licht dat vrijkomt bij de reactie van luminol met stikstofdioxide wordt gedetecteerd met behulp van fotodiodes. Wanneer licht op het actieve oppervlak van een fotodiode terecht komt, wordt er een kleine stroom gegenereerd door de fotodiode. De stroom van de fotodiodes wordt versterkt en omgezet naar een spanning als uitgangsignaal.

Het instrument wordt in een piepschuimen doos geplaatst. Piepschuim heeft als voordeel dat het licht in gewicht is en ook nog eens goed isoleert waardoor de temperatuur in de sonde vrij constant blijft. De binnenkant van de piepschuimen doos is zwart geverfd. Zwart absorbeert licht en zorgt ervoor dat al het licht van buiten de sonde (denk aan de zon), de metingen niet verstoren. Aan de piepschuimen doos wordt een radiosonde (RS92, Vaisala) bevestigd. De radiosonde meet tijdens de vlucht de buitentemperatuur, luchtvochtigheid en de luchtdruk. De radiosonde bevat ook een GPS systeem, zodat de exacte coördinaten van de sonde bekend zijn. Alle meetgegevens worden via de radiosonde teruggestuurd naar een radio-ontvanger op de grond.
Figuur 4: Schematische weergave van de stikstofdioxide sonde.
Figuur 4: Schematische weergave van de stikstofdioxide sonde.

Figuur 4 laat een schematische weergave zien van de stikstofdioxide sonde. Rechts onderin bevindt zich het luminol reservoir. Het luminol reservoir bevat 35 ml luminol oplossing. De vloeistofpomp zorgt ervoor dat de luminol uit het reservoir in de reageerbuis terecht komt. Links boven staat een luchtpomp weergegeven, die de buitenlucht via een bubbellaar naar de reageerbuis pompt. De bubbellaar heeft de lengte van de reageerbuis. Aan de onderkant van de bubbellaar zitten twee kleine gaten van 1 mm waar het gas uit kan ontsnappen. De gaten van 1 mm zorgen ervoor dat er kleine luchtbellen gevormd worden in de luminol oplossing. In de reageerbuis reageert de stikstofdioxide van de buitenlucht met de luminol oplossing, waardoor er licht vrijkomt. Het licht dat vrijkomt wordt waargenomen door de rij “ziende” fotodiodes aan de linker kant van de reageerbuis. Aan de rechterkant van de reageerbuis is een aluminium spiegel geplaatst, die ervoor zorgt dat zoveel mogelijk licht terug gereflecteerd wordt naar de ziende fotodiodes. Achter de spiegel bevind zich een rij “blinde” fotodiodes, die geen licht waarnemen. Deze rij fotodiodes heeft als functie om te corrigeren voor elektrische effecten, veroorzaakt door bijvoorbeeld temperatuursveranderingen binnen in de sonde. Het signaal van de blinde fotodiodes wordt afgetrokken van het lichtsignaal van de ziende fotodiodes.
De reageerbuis is afgesloten met een plastic dop. Het gas en de luminol oplossing gaan via de terugstroom slang naar het luminolreservoir. Het gas kan vervolgens ontsnappen bij de uitlaat van het luminolreservoir.

Stikstofdioxide profielen
In de maanden juni en juli 2009 werd een grote stikstofdioxide meetcampagne gehouden in Nederland, genaamd CINDI (Cabauw Intercomparison of Nitrogen Dioxide measuring Instruments). De stikstofdioxide sonde werd tijdens de CINDI campagne voor de eerste keer ingezet en heeft 6 prachtige stikstofdioxide profielen opgeleverd; zie figuur 5.
Figuur 5: Zes profielen gemeten tijdens de CINDI campagne in juni/juli 2009. Op de x-as staat de concentratie NO2 in ppbv (parts per billion by volume = het aantal NO2 moleculen per biljoen lucht moleculen) en op de y-as de hoogte in kilometer. De blauwe lijn is het temperatuurprofiel van de buitenlucht. De zwarte stippellijn is de grenslaaghoogte.
Figuur 5: Zes profielen gemeten tijdens de CINDI campagne in juni/juli 2009. Op de x-as staat de concentratie NO2 in ppbv (parts per billion by volume = het aantal NO2 moleculen per biljoen lucht moleculen) en op de y-as de hoogte in kilometer. De blauwe lijn is het temperatuurprofiel van de buitenlucht. De zwarte stippellijn is de grenslaaghoogte.

Alle sondes zijn tijdens deze campagne om 12:30 locale tijd gelanceerd. De eerste sonde werd gelanceerd op 18 juni 2009; zie figuur 5a. Het profiel laat zien dat de hoogste stikstofdioxide concentratie optreedt op een hoogte van ongeveer 930 meter; dat is tevens de hoogte van de grenslaag. Boven de grenslaag neemt de stikstofdioxide concentratie sterk af. Dit profiel heeft een hogere resolutie van 1 meter. Er waren die dag cameraploegen aanwezig om de sonde oplating te filmen. Omdat een stijgsnelheid van 5 meter per seconde te snel was voor de opnamen is toen besloten om minder helium in de ballon te doen, waardoor de stijgsnelheid van de sonde ongeveer 1 meter per seconde was.

Het profiel van 23 juni 2009 (figuur 5b) toont een scherpe piek in stikstofdioxide op een hoogte van ongeveer 4.8 kilometer. Deze piek kan duiden op een laag met uitlaatgassen van vliegtuigen.
Een ander opmerkelijk profiel is dat van 30 juni 2009 (figuur 5e) dat twee lagen met stikstofdioxide laat zien. De eerste laag bevindt zich van 0 tot 800 meter hoogte en de tweede laag zit op 1 km tot 3 km hoogte. Rond de 800 meter vindt er een scherpe daling plaats van de stikstofdioxide concentratie; dat is ook de hoogte van de grenslaag. De laag erboven kan duiden op een tweede grenslaag, als restant van de grenslaag van een eerdere dag. Echter, de feitelijke oorsprong van deze laag is nog niet bekend.

Vooruitblik
De metingen met de stikstofdioxide sonde worden voortgezet op regelmatige basis. De stikstofdioxide profielen die gemeten worden, kunnen worden ingezet voor satelliet validatie. Er wordt momenteel toenadering gezocht in de industrie, om de stikstofdioxide sonde in productie te nemen. Dit maakt het mogelijk dat instituten, bedrijven en universiteiten de stikstofdioxide sonde kunnen aanschaffen en wereldwijd betere metingen naar stikstofdioxide kunnen worden uitgevoerd.

Referentie

  • Sluis, W.W., M.A.F. Allaart, A.J.M. Piters and L.F.L. Gast, The development of a nitrogen dioxide sonde, Atmospheric Measurement Techniques, 2010, 3, 1753-1762, doi:10.5194/amt-3-1753-2010

Nieuwsbrief
Via http://www.knmi.nl/mailinglists/kenniscentrum/mailinglist_aanmelden.html kunt u zich kosteloos abonneren op het kenniscentrum. Eens per maand ontvangt u een e-mail met een overzicht van de artikelen die de afgelopen maand op het Kenniscentrum zijn verschenen.