Achtergrond

SCIAMACHY’s successen: 10 jaar metingen van de atmosfeer

Op 8 april 2012 is de Europese milieusatelliet Envisat opgehouden met gegevens naar de aarde te sturen. De reden is onbekend.

Het kan zijn dat er een kortsluiting is ontstaan in combinatie met een probleem dat verhinderde dat de satelliet de “safe mode” bereikte. Ondanks alle mogelijke pogingen van ESA om de satelliet weer tot leven te wekken, is dat niet gelukt. Op 9 mei heeft ESA Envisat – de grootste Europese wetenschappelijke satelliet – na 10 jaar trouwe dienst officieel vaarwel gezegd. Is dat reden tot droefenis? Ja en neen. Ja, want Envisat, die gelanceerd werd op 1 maart 2002, leverde een aantal unieke metingen van de atmosfeer, zoals van het broeikasgas methaan. Daarnaast willen klimaatonderzoekers graag zo lang mogelijke homogene meetreeksen hebben. Neen, want de satelliet was ontworpen voor 5 jaar, en heeft dus twee keer zo lang gewerkt. En gelukkig worden de opvolgers van Envisat, de Sentinel satellieten, nu gebouwd en over enkele jaren gelanceerd.

Figuur 2: Het SCIAMACHY instrument in het laboratorium. (Bron: Dutch Space).
Figuur 2: Het SCIAMACHY instrument in het laboratorium. (Bron: Dutch Space).

SCIAMACHY

Aan boord van de Envisat satelliet zijn tien wetenschappelijke instrumenten, ontworpen om zowel het landoppervlak, de oceaan, als de atmosfeer te meten. Een van de drie instrumenten die de atmosfeer kunnen waarnemen is SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography). Dit instrument werd gebouwd in een samenwerking van drie landen: Nederland, Duitsland en België. De Nederlandse ruimtevaartindustrie die aan de bouw heeft bijgedragen bestond uit Dutch Space, TNO en SRON. 

Figuur 1: De Envisat satelliet, gelanceerd op 1 maart 2002, met tien instrumenten aan boord waaronder SCIAMACHY. Het contact werd verbroken op 8 april 2012. (Bron:ESA). Figuur 1: De Envisat satelliet, gelanceerd op 1 maart 2002, met tien instrumenten aan
Figuur 1: De Envisat satelliet, gelanceerd op 1 maart 2002, met tien instrumenten aan boord waaronder SCIAMACHY. Het contact werd verbroken op 8 april 2012. (Bron:ESA). Figuur 1: De Envisat satelliet, gelanceerd op 1 maart 2002, met tien instrumenten aan

SCIAMACHY is een spectrometer die nauwkeurig het spectrum van het zonlicht dat door de aardatmosfeer wordt teruggekaatst opmeet. Elk gas in de atmosfeer heeft zijn eigen karakteristieke absorptielijnen. Dat betekent dat bepaalde kleuren van het zonlicht door de atmosfeer sterker worden geabsorbeerd dan andere kleuren. Hoe meer gas, hoe meer die bepaalde kleur wordt geabsorbeerd. Zo bevat het reflectiespectrum van de aarde informatie over de soort en de hoeveelheid gassen in de atmosfeer. Dankzij de grote rol van Nederland bij de bouw van SCIAMACHY zijn er veel Nederlandse onderzoekers die met de meetgegevens hebben gewerkt en daarmee unieke resultaten konden bereiken. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van wat we hebben geleerd van de metingen door SCIAMACHY in de periode 2002-2012. 

Figuur 3: Een van de eerste reflectiespectra van de aarde gemeten door SCIAMACHY. In het spectrum van 300 – 1750 nm zijn veel absorptielijnen te zien die karakteristiek zijn voor atmosferische gassen, zoals O3, O2, H2O, CO2 en CH4.(Bron: J. R. Acarreta, K
Figuur 3: Een van de eerste reflectiespectra van de aarde gemeten door SCIAMACHY. In het spectrum van 300 – 1750 nm zijn veel absorptielijnen te zien die karakteristiek zijn voor atmosferische gassen, zoals O3, O2, H2O, CO2 en CH4.(Bron: J. R. Acarreta, K

Ozonlaag

De ozonlaag, die zich in de stratosfeer op zo’n 20-25 km hoogte boven het oppervlak bevindt, beschermt de aarde tegen schadelijke UV straling van de zon. In de jaren tachtig van de vorige eeuw werd duidelijk dat de ozonlaag boven de Zuidpool dunner werd door chemische reacties van ozon (O3) met chloorhoudende gassen (zgn. CFK’s), die afkomstig waren van o.a. spuitbussen en koelkasten. Het nauwkeurig meten van de ozonlaag was een van de belangrijkste redenen om SCIAMACHY te bouwen. SCIAMACHY kon de ozonlaag op twee manieren meten: van boven gezien (“nadir mode”) en vanaf de zijkant gezien (“limb mode”). Zo werd een goed drie-dimensionaal beeld van de ozonlaag verkregen. Ook de gassen die een rol spelen bij de afbraak van ozon, namelijk chloor- en broomoxide, en de ijsdeeltjes in de stratosfeer zijn door SCIAMACHY waargenomen. Zo werd meer inzicht gekregen in de processen die ozon afbreken en het ozongat veroorzaken.

In 2002, het eerste jaar dat SCIAMACHY heeft gemeten, was er een unieke gebeurtenis: het ozongat boven de Zuidpool brak in tweeen. Dat opbreken werd voorspeld met een atmosferisch-chemiemodel waarin satellietmetingen van SCIAMACHY werden geassimileerd, tezamen met windinformatie van het Europese weermodel. De ozonmetingen van SCIAMACHY hebben ons zo meer inzicht gegeven in de dynamische processen die een rol spelen bij het opbreken van het ozongat.

Figuur 4a: Het ozongat boven Antarctica gemeten door SCIAMACHY. Situatie op 25 september 2002, met in twee delen gebroken ozongat.
Figuur 4a: Het ozongat boven Antarctica gemeten door SCIAMACHY. Situatie op 25 september 2002, met in twee delen gebroken ozongat.
Figuur 4b: Situatie op 25 september 2003, met “normaal” ozongat. De kleuren geven de hoeveelheid ozon in Dobson Units (DU) aan (Bron: H. Eskes, KNMI).
Figuur 4b: Situatie op 25 september 2003, met “normaal” ozongat. De kleuren geven de hoeveelheid ozon in Dobson Units (DU) aan (Bron: H. Eskes, KNMI).

Een maat voor de hoeveelheid UV straling aan de grond is de UV index. Deze index werd jarenlang afgeleid uit de ozonmeting van SCIAMACHY. Nu wordt daarvoor de ozonmeting van GOME-2, een eenvoudiger versie van SCIAMACHY, gebruikt. Data assimilatie van ozonmetingen levert een verwachting van ozon en dus een verwachting van UV straling op.(zie link: Temis). De 10-jarige ozonmeetreeks van SCIAMACHY heeft samen met de ozonmeetreeksen van de Amerikaanse TOMS instrumenten (sinds 1978), het Europese GOME instrument (sinds 1995), en het Nederlands-Fins-Amerikaanse OMI instrument (sinds 2004) een satelliet ozonmeetreeks van ruim 33 jaar opgeleverd. Gelukkig wordt deze meetreeks nu voortgezet met OMI en GOME-2. Zo kan worden gemeten of de ozonlaag zich inderdaad herstelt, wat verwacht wordt als gevolg van de getroffen maatregelen ter bescherming van de ozonlaag.

Figuur 5: De ozonmeetreeks van 1978 tot 2008, gebaseerd op meerdere satellietinstrumenten waaronder SCIAMACHY. Getoond wordt de maandelijks en zonaal gemiddelde ozonkolom. (Bron: R. van der A, KNMI)
Figuur 5: De ozonmeetreeks van 1978 tot 2008, gebaseerd op meerdere satellietinstrumenten waaronder SCIAMACHY. Getoond wordt de maandelijks en zonaal gemiddelde ozonkolom. (Bron: R. van der A, KNMI)

Luchtvervuiling

Naast de ozonlaag had SCIAMACHY als doel om de luchtvervuilingsgassen in de troposfeer te meten. De troposfeer is de onderste luchtlaag waarin de emissies door menselijke en natuurlijke processen zich voordoen. GOME, de voorganger van SCIAMACHY, had al laten zien dat stikstofdioxide (NO2) een troposferisch gas is dat uitstekend gemeten kan worden vanuit de ruimte. NO2 ontstaat bij sterke verhitting van lucht, bijv. in verbrandingsmotoren en energiecentrales, en leeft slechts enkele uren. NO2 is daarom een uitstekende “tracer” van antropogene luchtvervuiling. In de concentratie van NO2 kon SCIAMACHY de wekelijkse gang zien van antropogene activiteit. Op rustdagen bleek er duidelijk minder NO2 te zijn - dat wordt wel de “detectie van religie” vanuit de ruimte genoemd. Ook kon de dagelijkse gang van NO2 worden gedetecteerd door SCIAMACHY metingen (die gedaan worden om 10 uur) met OMI metingen (om 13:30 uur) te combineren. ’s Ochtends bleek er meer NO2 te zijn dan ’s middags, wat verwacht werd omdat zonlicht NO2 afbreekt.

Figuur 6: Luchtvervuiling door NO2 in West-Europa, gebaseerd op SCIAMACHY metingen in 2004. Een vergelijkbare kaart werd getoond in de West-Europese kranten in najaar 2004 (Bron: R. van der A, KNMI).
Figuur 6: Luchtvervuiling door NO2 in West-Europa, gebaseerd op SCIAMACHY metingen in 2004. Een vergelijkbare kaart werd getoond in de West-Europese kranten in najaar 2004 (Bron: R. van der A, KNMI).

In 2004 stond de Europese politiek op zijn kop toen dagbladen de SCIAMACHY metingen van de NO2 vervuiling in West-Europa op de voorpagina toonden. Met name in Nederland, Vlaanderen en het Ruhrgebied was de luchtvervuiling relatief hoog. Dit was wel bekend uit grondmetingen, maar het was nog nooit gepresenteerd. Zo werd de communicatieve kracht van satellietbeelden gedemonstreerd, met het ruimtelijke overzicht en de directe vergelijking tussen verschillende regio’s. 

In de jaren daarna bleef SCIAMACHY de luchtvervuiling in de mondiale “hotspots” - West-Europa, Noord-Amerika en Oost-China – volgen. Vooral de sterke toename van luchtvervuiling in China, zo’n 10 % per jaar, kon men zien plaatsvinden. Met satellietmetingen als die van SCIAMACHY kunnen de antropogene emissies “top-down” worden gemeten, zonder dat men afhankelijk is van van overheden die die informatie soms niet willen vrijgeven.

Figuur 7a: Luchtvervuiling door NO2 in China, in 1997 gemeten door GOME.
Figuur 7a: Luchtvervuiling door NO2 in China, in 1997 gemeten door GOME.
Figuur 7b: In 2004 gemeten door SCIAMACHY. (Bron: R. van der A, KNMI).
Figuur 7b: In 2004 gemeten door SCIAMACHY. (Bron: R. van der A, KNMI).

SCIAMACHY heeft ook het luchtvervuilingsgas koolmonoxide (CO), dat op grote schaal vrijkomt bij bosbranden, gemeten. Met name SRON heeft daar onderzoek aan gedaan, waarbij lastige instrumentele problemen – zoals een ijslaag op de SCIAMACHY detector - moesten worden overwonnen.

Broeikasgassen

SCIAMACHY kon met een breed bereik aan golflengtes meten: vrijwel het gehele zonnespectrum kon worden waargenomen, van het ultraviolet tot aan het infrarood. In het infrarood hebben de broeikasgassen koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4) karakteristieke absorptielijnen. Deze gassen zorgen voor opwarming van de aarde omdat ze het zonlicht grotendeels doorlaten maar de aardse warmtestraling tegenhouden. De totale hoeveelheid CO2 en CH4 in de atmosfeer (in de kolom boven het oppervlak) kon voor het eerst met SCIAMACHY vanuit de ruimte worden gemeten. De nauwkeurigheid van SCIAMACHY voor CO2 is beperkt, maar voor CH4 kon men met SCIAMACHY metingen unieke kaarten maken. Deze bleken verrassend goed overeen te komen met modelsimulaties van de wereldwijde methaanverdeling. Door naar de verschillen tussen metingen en model te kijken konden de schattingen van methaanemissies verbeterd worden.

Figuur 8: Concentratie van methaan gemeten door SCIAMACHY. (Bron: C. Frankenberg, SRON).
Figuur 8: Concentratie van methaan gemeten door SCIAMACHY. (Bron: C. Frankenberg, SRON).

Ook waterdamp (H2O), dat een natuurlijk broeikasgas is, kon door SCIAMACHY worden gemeten. Met SCIAMACHY konden voor het eerst kaarten worden gemaakt van een isotoop van waterdamp, HDO, dat “zwaar water” wordt genoemd. Met de verhouding HDO/H2O kan de hydrologische cyclus in de atmosfeer worden bestudeerd. 

Wolken

Het hoofddoel van SCIAMACHY was om gassen te meten. Maar wolken zitten dan vaak in de weg, en dus moeten de wolken worden gekarakteriseerd wat betreft hoeveelheid en hoogte. Ook hebben wolken een belangrijke invloed op het klimaat omdat ze zonnestraling terugkaatsen, en zo de atmosfeer afkoelen. SCIAMACHY kon wolken meten door de absorptie van zuurstof te bepalen. Omdat zuurstof goed gemengd is in de atmosfeer, werd daarmee de druk tot aan de wolk bepaald. De wolkendruk die zo door SCIAMACHY direct werd gemeten leverde een nieuwe kijk op wolken op. Het blijkt dat de hoogte van wolken heel regelmatig in het seizoen varieert, en dat lage wolken (met een hoge druk) domineren. 

Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen