I - SCIAMACHY - SRON Netherlands Institute for Space Research

SCIAMACHY: beeld van sporegassen in de aardse atmosfeer

De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links

De uitdaging

Het herkennen en kwantificeren van de menselijke invloed op onze leefomgeving is, wetenschappelijk gezien, een enorme uitdaging. Met een grote maatschappelijke relevantie. Een van de eerste zaken die je als wetenschapper wilt is: beschikken over nauwkeurige gegevens. Om die te verkrijgen is onderzoek nodig. Een deel van dat onderzoek richt zich op de samenstelling van de aardatmosfeer, en de veranderingen daarin. Om die te meten zijn satellieten onontbeerlijk, want zij kunnen de volledige aardbol bestuderen en dus een volledig beeld geven. Maar hoe breng je bijvoorbeeld de verdeling van allerlei gassen nauwkeurig in beeld? En hoe kun je de gassen van elkaar onderscheiden? Welke gassen zijn belangrijk voor het onderzoek? Waar liggen de bronnen en putten van welke kringloop? Hoe groot zijn ze? En op welke manier grijpen ze op elkaar in?

Je kunt van de kringlopen en processen in de aardatmosfeer een wiskundig model maken dat je ‘voedt’ met waarnemingen. Hoe vollediger je model, hoe beter hij de natuur nabootst. Modellen kun je testen op het verleden om te begrijpen hoe het klimaat op aarde zich heeft ontwikkeld zonder menselijke invloed. En modellen kun je extrapoleren naar de toekomst. Naarmate de modellen beter worden en er meer gegevens over kringlopen bekendraken, kan de klimaatdiscussie scherper en zuiverder worden gevoerd. Om dat te bereiken is ruimteonderzoek van essentieel belang.

Nederland heeft een traditie opgebouwd op het gebied van atmosferisch onderzoek vanuit de ruimte, mede op initiatief van Nobelprijswinnaar Paul Crutzen. De instumenten meten cotinu de verdeling van een groot aantal sporegassen in de atmosfeer. Zonder zulke nauwkeurige tijdreeksen komt de klimaatdiscussie niet veel verder.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: gassen in de atmosfeer{end-link}De (droge) atmosfeer van de aarde bestaat voor 78,01% uit stikstof, 20,94% zuurstof, 0,93% argon en 0,02% neon. Argon en neon zijn zogeheten edelgassen die niet deelnemen aan chemische reacties. Er resteert dan nog 0,10%. Dit deel bestaat uit een grote verzameling ‘sporengassen’ waarvan kooldioxide met 0,04% het belangrijkste is. Andere sporengassen zijn methaan, lachgas (distikstofmonoxide), zwaveloxide, fluorkoolwaterstoffen, methylbromide, methylchloride, ozon en nog veel meer. Natte lucht kan tot enkele procenten waterdamp bevatten..

Hoewel de verzameling sporengassen klein is (0,1%) ten opzichte van de rest van de atmosfeer, is de invloed op processen en kringlopen enorm. Een deel van de sporengassen heeft, net als waterdamp, de eigenschap dat het de uitstraling van warmte naar het heelal bemoeilijkt. Daardoor blijft die warmte hangen in de atmosfeer, net als in een broeikas. Naast waterdamp zijn de belangrijkste broeikasgassen kooldioxide, methaan, lachgas en ozon. Ze veroorzaken het broeikaseffect. Zonder dit effect zou het leven zoals we dat kennen niet mogelijk zijn.

Ozon komt onder andere voor in de stratosfeer en zorgt daar voor een effect dat eveneens letterlijk van levensbelang is. Het absorbeert sterke ultraviolette straling van de zon waardoor deze energierijke straling het oppervlak niet bereikt. Dat is maar goed ook, want deze straling maakt cellen in levende organismen kapot.{end-tooltip}
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: sporegassen in de atmosfeer{end-link}De meeste sporegassen nemen deel aan chemische reacties en bevinden zich in een kringloop. Er zijn bronnen waaruit ze vrijkomen, maar er zijn ook ‘putten’ waarin ze weer verdwijnen. In de tussentijd bevinden ze zich in de atmosfeer. Veel van die kringlopen zijn aan elkaar gekoppeld en dat maakt het lastig om te begrijpen hoe de aardse atmosfeer werkt. En hoewel het geen gas is, is de invloed van zeer fijn stof op verschillende kringlopen ook groot. .

Veel bronnen en putten hebben een natuurlijke oorsprong. Zoals vulkanen die gassen en stof uitbraken, woestijnwinden die stof opwerpen, lekkages van methaan uit de bodem en de zee, en natuurlijk de plantengroei. Dit laatste onttrekt kooldioxide aan de atmosfeer (een ‘put’) en produceert zuurstof (een bron). Het evenwicht in de kringlopen wordt bepaald door veel natuurlijke fenomenen. Variaties in de baan van de aarde om de zon (als gevolg van de storende invloed van andere planeten) zorgen op geologische tijdschalen voor schommelingen in de hoeveelheid warmte die op de aarde komt. Met als gevolg het ontstaan van ijstijden en warme tussenperioden. Ook schommelingen in de lichtkracht van de zon hebben invloed op de evenwichten in de aardse atmosfeer. Uit onderzoek van oude aardlagen en ijskernen van de poolkappen blijkt dan ook dat het klimaat op aarde in het verleden allerlei schommelingen vertoonde. En dat in de toekomst zal blijven doen.{end-tooltip}
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de menselijke invloed op de atmosfeer{end-link}Ongeveer twee eeuwen geleden is de mensheid begonnen met het grootschalig gebruik van natuurlijke hulpbronnen. Zoals het intensieve gebruik van grond voor de landbouw en veeteelt, het kappen van oerwoud om cultuurgrond te verkrijgen, en het benutten van fossiele brandstoffen voor de grootschalige energievoorziening. Daarmee beïnvloedt de mens, naast de natuur zelf, allerlei kringlopen. Het gebruik van aardolie, aardgas, bruinkool en steenkool zorgt voor een extra bron van kooldioxide en fijn stof. Er ontstaat bij industriële activiteiten ook (troposferisch) ozon, lachgas en zwaveldioxide. De intensieve veehouderij zorgt voor een extra bron van methaan. En er komen gassen in de atmosfeer die er nog nooit in hebben gezeten, zoals koolwaterstoffen met atomen van chloor, fluor en broom (CFK’s). Zulke gassen zijn chemisch gezien heel reactief. Ze blijken bijvoorbeeld het evenwicht in de kringloop van het stratosferisch ozon sterk te beïnvloeden omdat ze zorgen voor een extra ‘put’ waarin ozon verdwijnt. Zo ontstaan ‘gaten’ in de ozonlaag boven de poolgebieden en gematigde breedten op aarde. Inmiddels is het gebruik van CFK’s (onder andere als koelmiddel in koel- en ijskasten, en als drijfgas in spuitbussen) aan banden gelegd en keert het natuurlijke evenwicht van de stratosferische ozonlaag langzaam terug..

Valt de invloed op kringlopen in de atmosfeer van menselijke activiteiten nu in het niet als je het vergelijkt met natuurlijke invloeden? Als dat zo is, behoeven we ons wat klimaatsveranderingen betreft niet ‘schuldig’ te voelen. Onze invloed op de natuur is daarvoor te gering. Of is die invloed zo groot dat zich een evenwicht gaat instellen dat ver buiten de natuurlijke bandbreedte ligt? In het ergste geval verknoeien we ons leefklimaat op aarde en moeten we onze invloed verminderen. Dat laatste is politiek-economisch gezien de kern waar het om draait in het klimaatdebat. Immers, er dreigt economische beperking met ongelijke behandeling van verschillende landen die elkaars concurrent zijn. Voordat draconische maatregelen worden getroffen, moet natuurlijk duidelijk zijn op welke manieren mensen de kringlopen tussen de atmosfeer, het land en de oceanen beïnvloedt. En sterker nog, die invloed moet ook nog worden bepaald in omvang (kwantificeren) voor de planeet als geheel, maar ook voor regio’s.{end-tooltip}

De oplossing

Een van de meest veelzijdige instrumenten om de atmosfeer van de aarde door te meten is SCIAMACHY, ontworpen en gebouwd onder Nederlandse leiding. Het bevindt zich aan boord van ESA’s milieusatelliet ENVISAT, gelanceerd op 1 maart 2002. SCIAMACHY betekent Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography. Het instrument is ontwikkeld en gebouwd door een samenwerkingsverband van Nederlandse en Duitse onderzoeksinstituten en industrie. De optica is afkomstig van TNO/TPD, SRON en Dutch Space. SRON tekent ook voor de ijking van het instrument en het bijhouden van de prestaties en karakteristieken van de detectoren, tijdens de vlucht. Onder leiding van de Duitse ruimtevaartorganisatie DLR levert Astrium de elektronica. Het management van de Nederlandse inbreng is in handen van het Netherlands Space Office (NSO). Daarnaast is er een bijdrage uit België voor het meten van de polarisatie van de opgevangen straling.

Het 214 kilogram zware instrument doet metingen in het golflengtebereik van 240 tot 2380 nanometer, dat is in het zichtbaar licht en nabije infrarood. Het golflengtebereik wordt overdekt met acht verschillende kanalen, elk met eigen detectoren. Deze kanalen zijn zodanig gekozen dat gegevens worden verzameld van veel verschillende sporengassen. Daarnaast meet SCIAMACHY ook het fijn stof (aerosolen), de wolkenbedekking, de intensiteit van ultraviolette straling en de totale straling die van de zon afkomstig is.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: SCIAMACHY-technologie{end-link}Uit voorstudies blijkt dat het nodig is om de detectoren en de rest van het instrument te koelen tot 150 Kelvin omdat de detectoren anders vooral de eigen warmtestraling meten. Voor vijf kanalen kunnen bestaande detectoren worden gebruikt nadat ze zijn aangepast voor het werk in ruimte-omstandigheden. Voor de drie andere kanalen moet iets nieuws worden bedacht. De oplossing bestaat uit detectoren waar de fotonontvangende laag en de uitleeselektronica zijn geïntegreerd. Het hart van de detector bestaat uit 2 maal 512 meetcellen, gerangschikt in een strook van 0,5 millimeter breed en 2 centimeter lang. De cellen overdekken samen het golflengtebereik voor dit type detector. Er is een nieuw optisch ontwerp nodig om het licht gelijkmatig over de cellen te verdelen, een uiterst lastig probleem.{end-tooltip}

SCIAMACHY doet waarnemingen op drie verschillende manieren. Het instrument kan recht naar beneden kijken en daarmee meet het de totale hoeveelheid gas in de atmosferische kolom. Daarbij is het ruimtelijk scheidend vermogen, gemeten op het aardoppervlak, ongeveer 30 x 30 kilometer. De tweede manier is om recht naar voren, naar de zichtbare rand van de atmosfeer te kijken. Dat levert een indruk op van de verdeling van de gassen over de hoogte in de atmosfeer. Het is mogelijk om te meten op hoogteverschillen van 3 kilometer of meer. Tenslotte kan het instrument ook naar de zon of het door de maan weerkaatste zonlicht kijken terwijl de zon of de maan door de rand van de atmosfeer heen schijnt. Ook dat geeft informatie over de gasverdeling in de verschillende lagen van de atmosfeer.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de gemeten straling.{end-link}De ‘vingerafdrukken’ van de sporen gassen komen ook op verschillende manieren tot stand. Je kunt kijken naar de infrarode straling die de gassen uitstralen. Deze emissiestraling zie je vooral goed als je naar de rand van de atmosfeer kijkt. In andere gevallen zie je de vingerafdruk als een absorptie in het spectrum. Dat is het geval als je naar zonlicht kijkt dat door het aardoppervlak wordt gereflecteerd en daarna door de atmosfeer naar de satelliet trekt. Wolken kun je meten door direct weerkaatst licht te meten. Fijn stof (aerosolen), zoals woestijnstof, vulkaanstof, en zoutkristallen, maar ook roet, kun je meten door naar de verstrooiing van het licht te kijken, soms in combinatie met variaties in de lichtsterkte.{end-tooltip}

Het is een hele puzzel om uit de ruwe detectorsignalen netjes de gegevens te achterhalen over de sporengassen. Terwijl de ENVISAT-satelliet om de aarde draait, scant het instrument over de posities die in het bereik liggen. Zo ontstaan geleidelijk, over een periode van zes dagen, complete wereldkaarten met de verdeling van sporengassen, in ruimte, in hoogte en in tijd. Veel van deze metingen worden routinematig uitgevoerd en resulteren in verschillende producten waar allerlei gebruikers mee aan de slag kunnen gaan. Onder hen bevinden zich onderzoekers op het vlak van atmosferische chemie, weer en klimaat, en milieu.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: Wat meet SCIAMACHY?{end-link}Ozon (O₃), zowel in de troposfeer als de stratosfeer. In het eerste geval is het gas een indicator voor smog en luchtvervuiling, in het tweede geval kijk je naar de beschermende laag die werkt als het ultravioletfilter van onze planeet. Formaldehyde (HCHO). Het gas ontstaat als bijproduct van verbranding en is ook een component van smog. Zwaveldioxide (SO₂). Dit gas veroorzaakt onder andere verzuring (zure regen) en komt vrij bij de verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen, en uit vulkanen. Broomoxide (BrO), cloordioxide (OClO) en cloor-zuurstof radicalen (ClO) zijn zeer reactieve gassen en breken onder andere het stratosferische ozon af. Ze ontstaan bij chemisch-industriële processen. Stikstofoxiden (NO, NO₂, NO₃) komen vrij bij verbrandingsprocessen en zijn een indicator voor luchtvervuiling. Hun concentraties zijn belangrijk genoeg om te verwerken in klimaatmodellen. Kooldioxide (CO₂), koolmonoxide (CO), methaan (CH₄) en lachgas (N₂O) zijn sporengassen die warmte vasthouden en zo bijdragen aan het broeikaseffect. Lachgas komt vooral vrij uit landbouwactiviteiten (bemesten, gebruik van kunstmest, ploegen van grasland). Kooldioxide en koolmonoxide komen vrij bij het verbranden van fossiele brandstoffen en uit verschillende natuurlijke bronnen, waaronder vulkanen. Water (H₂O) en de variant HDO, zwaar water, waarbij een waterstofatoom is vervangen door een deuteriumatoom (behalve het proton zit er ook een neutron in de atoomkern). Waterdamp is het belangrijkste broeikasgas. Aerosolen (woestijnstof, vulkaanstof, roet, industrieel stof, verstuiving van gronden), wolken (kaatsen zonlicht terug, belangrijk gegeven voor klimaatmodellen) en de (ultraviolet)straling van de zon.{end-tooltip}

Verdere ontwikkeling

SCIAMACHY past in een reeks van Nederlandse meetinstrumenten die ontwikkeld zijn om sporengassen in de atmosfeer in kaart te brengen. In de nabije toekomst zullen ook nieuwe instrumenten operationeel zijn en vliegen aan boord van verschillende satellieten.

Een kort overzicht van de huidige en toekomstige onderzoekslijn is:

Ozone Monitoring Instrument (OMI), aan boord van NASA’s EOS-AURA-satelliet, gelanceerd op 15 juli 2004. Dit instrument meet ozonconcentraties in de troposfeer en stratosfeer en geeft daarmee informatie over de toestand van de beschermende ozonlaag en de luchtvervuiling nabij het aardoppervlak. {tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer over OMI.{end-link}Luchtvervuiling wordt ook in kaart gebracht met metingen aan stikstofdioxide, formaldehyde, zwaveldioxide en aerosolen. OMI kijkt ook naar broom- en chloorhoudende stoffen die reageren met het ozon in de stratosfeer. Tenslotte doet het instrument metingen aan de intensiteit van de ultravioletstraling en de wolkenbedekking. De gegevens worden routinematig verzameld en beschikbaar gesteld, onder andere via het KNMI, dat de wetenschappelijke leiding heeft over het project. OMI is gebouwd onder leiding van het Netherlands Space Office door TNO Industrie & Techniek en bedrijven uit Finland. SRON is betrokken bij de ijking van het instrument en het periodiek rapporteren over de systeemprestaties.{end-tooltip}
Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2), aan boord van de EUMETSAT / ESA METOP-A-satelliet, gelanceerd op 19 oktober 2006. Het instrument is gebouwd in Italië, Denemarken en Nederland (TNO TPD). {tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer over GOME-2.{end-link}GOME-2 kijkt vanuit de satelliet verticaal naar beneden en kijkt naar de straling die de aarde, de wolken en de atmosfeer weerkaatst dan wel zelf produceren. Er worden metingen gedaan aan vrijwel dezelfde sporengassen als bij OMI. Daarnaast kijkt GOME-2 ook naar de wolkenbedekking. Bijzonder is dat dit instrument ook polarisatie van het licht kan meten, waardoor belangrijke informatie uit bijvoorbeeld verstrooiingsprocessen wordt verkregen.{end-tooltip}
Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) prototype, aan boord van een ESA-satelliet, te lanceren in 2014. De uieindelijke versie van TROPOMI (Sentinel-5 project) zal aan boord van een Europese weersatelliet worden gelanceerd in 2020 of later. {tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer over TROPOMI.{end-link}Het instrument combineert en verbetert de eigenschappen van zijn voorgangers. Het moet ook de datareeksen van OMI en SCIAMACHY continueren. Bij het project zijn onder andere betrokken het KNMI, SRON, Dutch Space, TNO en Mecon. Er wordt een nieuw type tralie toegepast om spectra te maken, het zogeheten immersed grating (zie apart venster over Verzonken tralies onder de categorie Technologieën). De projectleiding berust bij het Netherlands Space Office (NSO) op basis van een samenwerking met ESA.{end-tooltip}