‘Nederland kan nu groots verschil maken: methaan meten tot op lokale schaal’

Landgraf werkt voor SRON Netherlands Institute for Space Research. SRON is één van de partners in het Nederlandse Clear Air consortium, die weten hoe je problemen met klimaat, luchtkwaliteit en biodiversiteit wereldwijd in kaart kunt brengen. Andere partners zijn KNMI, TNO en TU Delft.

Landgraf leerde de fijne kneepjes van de atmosfeerwetenschap bij Nobelprijswinnaar Paul Crutzen, die het chemische mechanisme achter het gat in de ozonlaag blootlegde.

“Door zijn werk konden we begrijpen hoe we het ozongat kunnen dichten”, vertelt Landgraf. “En ook kregen we scherp wat de rol van methaan en stikstofdioxide is, voor de samenstelling van de onderste kilometer van de atmosfeer.”

Crutzen muntte ook de term ‘antropoceen’ voor het huidige geologische tijdperk, waarin de mens het aardsysteem beïnvloedt. En hij omschreef in zijn modellen de ‘nucleaire winter’: de totale duisternis en ingrijpende afkoeling van de aarde die volgt als zich een atoomoorlog zou voltrekken. Landgraf: “Als hij iets op het spoor was, zag je dat in zijn ogen. Het was een geluk om voor hem te mogen werken. Hij vergde veel van zijn mensen, maar zijn wetenschappelijke nieuwsgierigheid heeft me enorm geïnspireerd.”

Crutzen leeft niet meer, maar ook nú zijn wetenschappers die hij inspireerde in staat tot grootse stappen om ontregelende ontwikkelingen in het systeem van de aarde te kunnen beperken.
Landgraf werkt inmiddels 30 jaar aan steeds beter begrip over wat er in de atmosfeer gebeurt.
Hij brengt als hoofdonderzoeker (principal investigator) voor de TANGO-missie nu de Nederlandse kennis en kunde samen voor het meten van koolstofdioxide, stikstofdioxide en methaan. (CO2, NO2 en CH4). Daarmee krijgen beslissers wereldwijd gedetailleerd inzicht in de uitstoot van broeikasgassen door de mens.

Landgraf brengt als hoofdonderzoeker veel kennis mee van het voorbereiden van ruimtemissies, en in het bijzonder voor methaan. “Wat methaan in de atmosfeer doet, is warmtestraling tegenhouden, waardoor de aarde opwarmt: het broeikaseffect. Sinds de pre-industriële tijd is de aarde 1,28 graden Celsius opgewarmd. Ongeveer één graad komt door CO2 en 0,3 graad door methaan, CH4.”

We moeten dus CO2-uitstoot terugdringen. “Maar ook methaan”, zegt Landgraf. “Want daar valt al snel vooruitgang mee te boeken.” Methaan blijft 10 jaar in de atmosfeer totdat het spontaan wordt afgebroken, vertelt hij. “Bij CO2 is dat 1000 jaar. Dit betekent dat je via methaan al op korte termijn best veel kunt doen aan het broeikaseffect.”
Bijvoorbeeld in de fossiele industrie, schetst hij. Daar vervliegt het nu als onbenut bijproduct van de brandstofwinning. Landgraf: “Methaanemissie reduceren kost weinig tot niks, je kunt het afvangen en gebruiken. Het is het hoofdbestanddeel van aardgas, dat voor vier vijfde uit methaan bestaat.”

Door de eerste methaanmetingen met een satelliet, 20 jaar geleden, kregen atmosfeerwetenschappers voor het eerst gegevens op mondiale schaal. Landgraf: “Schiamachy uit 2003, met een groot Nederlands aandeel, kon voor het eerst uitstoot vanuit moerassen zien bijvoorbeeld.” Van de methaanuitstoot naar de atmosfeer komt naar schatting 30% uit moerassen, vertelt Landgraf.

Daarna kwamen de Japanse missie GO-SAT. In 2017 werd het Nederlandse instrument TROPOMI gelanceerd, het ‘oog’ van de Europese satelliet Sentinel-5p. Moeras is een natuurlijke bron van methaan in de atmosfeer. Maar verschillende menselijke activiteiten opgeteld zijn verantwoordelijk de overige 70% van de methaanuitstoot naar de atmosfeer. Bijvoorbeeld landbouw, de olie- en gasindustrie en vuilnisbelten, vertelt Landgraf.

“Voor het opsporen van menselijke uitstoot werd TROPOMI echt een gigantische eye-opener”, zegt de wetenschapper. “Met TROPOMI konden we door de mens veroorzaakte uitstoot van methaan voor het eerst onmiskenbaar terugzien als pluim op de wereldkaart. Bijvoorbeeld grote lekkages, of explosies bij oliewinning. Met die duidelijke pluimen konden we onze modellen verbeteren, zodat we veel nauwkeuriger, met veel grotere zekerheid, terug konden rekenen wat de emissie door de mens daar is geweest.”

TROPOMI ziet scherp genoeg om pluimen op te sporen van zogenaamde ‘super-emitters’: menselijke bronnen die minstens 100 kiloton methaan per jaar uitstoten.
“Maar dat is het topje van de ijsberg van de totale emissie waar de mens de hand in heeft. Nu willen we ook de middelgrote en kleinere door de mens veroorzaakte uitstoot zien”, zegt Landgraf.
TANGO kan tot op fabrieksniveau kijken, 300 bij 300 meter, en dus rijkelijk aanvullen, wat de grote methaan metende missies zoals Sentinel-5p/TROPOMI en opvolger Sentinel 5 niet scherp kunnen krijgen. En dat is waardevolle informatie voor de groene transitie.

“TANGO bestaat uit twee kleine satellieten, ter grootte van twee emmers. Groter zijn ze niet”, zegt Landgraf. Maar Nederland kan met die kleine satellieten wel de volgende grootse stap in de atmosfeerwetenschap zetten. Namelijk: de wereld voorzien van super nauwkeurig inzicht in middelgrote en kleinere pluimen methaan waar de mens achter zit. Overal op dezelfde meetmanier en met openbare data, voor iedereen toegankelijk.
“En dat is belangrijk als je met elkaar afspreekt om samen de uitstoot te beperken, zoals landen nu doen met de Methane Pledge en de Green Deal. Als je elkaar aan afspraken wilt kunnen houden, moeten je metingen onderling vergelijkbaar, controleerbaar en transparant zijn. TANGO kan bovendien ook het effect van afspraken tot op fabrieksniveau monitoren.”

Het moment is gunstig voor Nederland om die impact te maken. Landgraf en collega’s stelden TANGO voor als ESA Scout missie. Dat is een nieuwe reeks toekomstige ESA-missies waarvoor wetenschap en industrie samen voorstellen kunnen doen. Scout missies gaan binnen drie jaar van de tekentafel naar de ruimte en hebben een beperkt budget. Zo’n budget is haalbaar voor een kleiner land als Nederland, waar de kennis en infrastructuur door ervaringen zoals met TROPOMI ook nog eens op een buitengewoon hoog peil ligt.

Om de kleinere methaanpluim scherp te zien én goed te kunnen interpreteren, moeten veel expertises samenkomen. Van het ontwikkelen van de technologie en het instrument zelf, tot het klaarstomen van de processen die de meetgegevens omzetten in begrip over uitstoot door de mens. En Nederland is de thuisbasis van partijen die in al deze expertises echt wereldleiders zijn.

“Methaan kunnen we niet zomaar zien. Je hebt een wetenschappelijk meetinstrument nodig”, zegt Landgraf. “Een methaanspectrometer vergelijkt inkomende infraroodstraling van de zon met uitgaande infraroodstraling. En daar ontbreekt opeens licht van sommige infraroodkleuren. Het meer of minder ontbreken van die kleuren verraadt de aanwezigheid van meer of minder methaan die die infraroodstraal is tegengekomen in de atmosfeer.”
Een kleine pluim menselijke methaanuitstoot op het totaal aan methaan in de atmosfeer, geeft maar een piepklein verschil in het gemeten licht boven elk stukje van de aarde, vertelt Landgraf. “Dat we dat vanaf 500 kilometer hoogte kunnen onderscheiden is gewoon super fascinerend.”
TANGO kan tijdens het overvliegen een beetje bewegen en zo de ogen iets langer gericht houden op interessante targets. De minimale verschillen komen zo duidelijker in beeld. Welke targets zijn het langere staren waard? Dat halen wetenschappers uit wereldwijde inventarisaties. “En als de grote missies iets verdachts zien, maar niet helemaal scherp genoeg, kan TANGO daar in detail naar kijken.”

Maar met alleen een meting van het infraroodspectrum boven elk stukje aarde is het nog niet gedaan. De inrichting van een ‘grondsegment’ is bij ruimtemissies een enorme klus.
“Om uit infraroodmetingen de concentraties methaan te herleiden, moet je een rekenmodel schrijven dat de vertaalslag maakt naar een bruikbaar dataproduct”, vertelt Landgraf. En dat modellen schrijven gebeurt in Nederland op topniveau.
“Het rekenmodel, oftewel retrieval algoritme moet je zo maken dat die het áltijd blijft doen. Alle bugs en crashes moeten er uit zijn vóórdat het instrument de ruimte in gaat. Dat moeten super goed ontwikkelde programma’s zijn die ook altijd automatisch blijven draaien.”
Voor de rekenmodellen die de verkregen methaanconcentraties kunnen terugrekenen naar geschatte uitstoot is al net zo’n topniveau vereist. “Dat is de zogeheten inverse modeling. Voor een echt betrouwbare conclusie houden de algoritmes rekening met állerlei fenomenen die het beeld tijdens de meting kunnen hebben beïnvloed, zoals het weer en de bewolking, of verschillen in reflectie tussen het bos of de woestijn.”

Voor de ontwikkeling en bouw van het methaaninstrument en de kleine satelliet waarop het vliegt, heeft Nederland de research en development expertise in huis: bij SRON, TNO, en ISIS Space.
Voor de vertaalslag naar methaanconcentraties op de kaart, en voor de duiding daarvan in geschatte emissies heeft Nederland atmosfeergroepen bij SRON en KNMI. Zij zijn in staat – en dat is echt werk op topniveau – om het retrieval algoritme en de inverse modeling voor te bereiden op het véél scherpere detail dat straks uit TANGO komt.

Het voordeel van Nederland voor deze taak, is dat de instrumentgroepen, atmosfeergroepen en industrie niet alleen wereldleidend zijn in wat ze doen door eerdere ervaringen zoals met TROPOMI. “We kennen elkaar ook, we waarderen elkaar heel erg en we kunnen heel makkelijk als één team te werk gaan. We weten elkaar heel goed te vinden.” Dat geldt voor de partners binnen het TANGO-consortium, maar óók een hele keten daarbuiten, aldus Landgraf. “Waar je de juiste telescoop spiegel vandaan haalt tot en met wie het beste model tot nu toe schreef voor kleinere pluimen.”

Nederland kan zo van de TANGO-missie een geheel Nederlandse missie maken, die van grote invloed en waarde zal zijn op wat de wereld tegen methaanuitstoot gaat doen. De lidstaten beslissen in 2024 of TANGO als Scout missie wordt geadopteerd. Nederland heeft de bijdrage voor het instrument al gereserveerd. Voor de dataprocessing en de wetenschap ermee is daarnaast nog aanvullende funding vereist.
Landgraf hoopt dat Nederland die handschoen oppakt. “Het is een enorme kans om de kennis die we in Nederland de afgelopen 30 jaar hebben opgebouwd ter beschikking te stellen aan anderen. En als je nu niks doet, verlies je de expertise en reputatie die we met de missies hiervoor hebben opgebouwd.”

Daarnaast – of beter gezegd boven alles – vindt Landgraf het ook een niet te negeren verantwoordelijkheid. “We moeten iets doen, anders gaat het echt heel erg mis. Onderschat niet hoe ingrijpend de klimaatcrisis wordt. Het is een mondiaal probleem dat er gaat komen. Met behulp van satellieten kunnen we broeikasgasuitstoot opsporen zodat we het kunnen tegengaan. Zo kunnen we de opwarming afzwakken, en een beetje in goede banen leiden. Alle landen moeten daarvoor verantwoordelijkheid nemen, en rijkere landen hebben een grotere verantwoordelijkheid.”