SRON - De atmosfeer ontrafeld

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Thursday Jul 07th, 2022

GOME / OMI / SCIAMACHY: De aardse atmosfeer ontrafeld

Missies in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links

Missies in het kort

Nederland neemt deel aan verschillende satellietprogramma’s die zich toeleggen op het bestuderen van de aardse atmosfeer. Kennis over de atmosfeer is belangrijk om te begrijpen hoe het klimaat op aarde verandert, en onder welke factoren dit gebeurt. Samen met de oceanen en de bodem vormt de atmosfeer de zogeheten biosfeer. Hierin speelt het aardse leven zich af. De atmosfeer zorgt niet alleen voor lucht om te ademen, maar ook voor verdeling van zonnewarmte, bescherming tegen schadelijke invloeden vanuit de ruimte, en het reguleren van allerlei kringlopen. Satellieten zijn een machtig hulpmiddel bij het atmosfeeronderzoek omdat ze wereldwijde metingen kunnen doen, 24 uur per dag en 7 dagen per week. En ze zijn in staat om snelle veranderingen direct in kaart te brengen.

Wat zien aardobservatiesatellieten? Satellieten vliegen boven de atmosfeer en verrichten dus op afstand metingen. Passieve remote sensing houdt in dat instrumenten aan boord kijken naar de verstrooide zonnestraling die via de atmosfeer of het aardoppervlak naar de ruimte wordt gezonden. Net als bij sterrenkundig onderzoek wordt naar het spectrum van deze straling gekeken. Talrijke moleculen verraden hun aanwezigheid via de spectraallijnen. De Nederlandse bijdrage aan het internationale atmosfeeronderzoek concentreert zich op deze techniek. Actieve remote sensing maakt gebruik van signalen, zoals radar, die vanaf de satelliet naar de aarde worden gestuurd en waarvan de reflectie wordt geanalyseerd. Op deze manier kunnen topografische details (hoogteverschillen, ruwheid van het terrein op het land en windgolven op zee, in kaart worden gebracht.

Belangrijke Nederlandse bijdragen aan het atmosferisch onderzoek vanuit de ruimte zijn:

Ozone Monititoring Instrument (OMI). Dit instrument bevindt zich aan boord van de NASA-missie EOS-AURA, gelanceerd op 15 juli 2004.
Lees meerHet meet de concentratie van verschillende aerosolen en van ozon in de troposfeer en stratosfeer. Het instrument is nog steeds actief. OMI is gebouwd onder leiding van het Nederlands Instituut voor Vliegtuigbouw en Ruimtevaartontwikkeling (NIVR, thans Netherlands Space Office (NSO)), in samenwerking met Dutch Space en TNO met onder andere een bijdrage uit Finland. Het KNMI heeft de wetenschappelijke leiding.
Global Ozone Monitoring Instrument (GOME en GOME-2). GOME bevindt zich aan boord van ESA’s ERS-2 satelliet, gelanceerd in 1995.
lees meerDe instrumenten meten de ozonconcentraties in de atmosfeer en kijken ook naar enkele sporengassen zoals stikstofdioxide. De missie van ERS-2 is in juli 2011 tot een einde gekomen. GOME-2 is een herontwikkelde versie van GOME en kijkt ook naar aerosolen en meer soorten sporengassen. Het instrument bevindt zich aan boord van ESA’s METOP-satellieten waarvan de eerste in 2007 is gelanceerd. GOME is gebouwd onder Italiaanse leiding met belangrijke bijdragen van TNO en Dutch Space. GOME-2 is eveneens onder Italiaanse leiding gebouwd. Belangrijke Nederlandse bijdragen zijn er van TNO en SRON. De inbreng van SRON bestaat uit het monitoren van de prestaties van het instrument, de ijking en de interpretatie van metingen aan ozon en aerosolen.
Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography (SCIAMACHY). Het instrument bevindt zich aan boord van ESA’s ENVISAT, gelanceerd in 2002.
Lees meerDeze spectrometer maakt afbeeldingen van metingen aan sporengassen, aersosolen, wolken en reflectie van zonlicht door de bodem en de atmosfeer. SCIAMACY is gebouwd onder leiding van het NIVR en het Duitse DLR in samenwerking met TNO, Dutch Space en SRON. Verder zijn er bijdragen uit België. In Nederland ligt de wetenschappelijke leiding bij het KNMI en SRON.
Terahertz and Submm Limb Sounder (TELIS). Dit instrument is een voorloper voor latere satellietmissies van NASA.
Lees meerHet project kent een Brits-Duitse samenwerking met een sterke inbreng van SRON. TELIS kijkt naar de rand van de atmosfeer en meet de uitgezonden straling van een groot aantal sporengassen. De detectoren zijn diep gekoeld tot 4K. Het Britse Rutherford Appleton Laboratory maakt de detector / ontvanger tot 500 GHz, het Duitse DLR van 1800 GHz en SRON van 480-650 GHz. Via heterodyne techniek worden de submillimetergolven vertaald in meetbare elektronische signalen. TELIS is tussen 2008en 2010 enkele malen met succes beproefd aan een stratosferische ballon op 30 tot 40 kilometer hoogte. Over de heterodyne techniek is onder de categorie Technologieën een apart venster opgenomen.

Belangrijkste resultaten

Onderzoeksterreinen waar Nederland zich in heeft gespecialiseerd zijn onder andere:

Ozonlaag. Op enkele tientallen kilometers hoogte bevindt zich een laag waarin een kleine, maar heel belangrijke concentratie ozon voorkomt. Een ozonmolecuul bestaat uit drie zuurstofatomen. Het gas heeft als eigenschap dat het schadelijke ultravioletstraling van de zon absorbeert; zonder deze bescherming zou het meeste leven op aarde zoals we dat nu kennen, niet kunnen bestaan. Bij de absorptie van een ultravioletfoton valt het ozonmolecuul uit elkaar. Via chemische reacties wordt ook weer ozon aangemaakt. Normaal gesproken is de ozonlaag dan ook in evenwicht. Inmiddels blijkt dat chloor-fluor-koolwaterstoffen – een op zichzelf onschadelijk drijfgas voor spuitbussen, en ook gebruikt in koelinstallaties – deze evenwichtsreactie verstoren en de aanmaak van ozon verhinderen.
Lees meer: het ozongat.Het gebruik van deze CFK’s is wereldwijd al geruime tijd verboden maar na elke poolwinter treedt nog steeds grote schade op aan de ozonlaag. Weliswaar herstellen de gaten zich in het voorjaar, maar het is niet goed bekend hoe, en op welke tijdschaal, deze belangrijke beschermlaag zich permanent herstelt. De (deels) Nederlandse instrumenten laten van jaar tot jaar zien hoe van jaar tot jaar na de poolwinter in de ozonlaag een 'gat' ontstaat boven de poolgebieden. Dat gat verdwijnt daarna langzaam in de loop van het voorjaar en de zomer. De gaten vertonen veel variatie van jaar tot jaar en kunnen zich soms tot gematigde breedtegraden uitbreiden, zoals tot boven Nederland. Onder een ozongat is de ultravioletstraling van de zon sterker dan normaal. De verwachting is dat de jaarlijkse ozongaten geleidelijk zullen uitsterven, omdat de aanvoer van CFK's naar de stratosfeer sterk is afgenomen.
Sporegassen. De aardse atmosfeer bestaat (bij droge lucht) voor bijna 80% uit stikstof en voor bijna 20% uit zuurstof. Daarnaast is er een grote hoeveelheid gassen die in kleine hoeveelheden voorkomen: de sporengassen. Ze zorgen samen voor ingewikkelde chemische processen in de atmosfeer. Een deel van de sporengassen heeft een natuurlijke bron en zijn erg belangrijk voor het aardse klimaat. Koolstofdioxide (CO₂) en methaan (CH₄) zorgen, met waterdamp (H₂O) en enkele andere gassen voor het broeikaseffect. Zonder dit effect zou de aarde een ijsplaneet zijn. Het broeikaseffect kan intenser worden als de concentraties van deze gassen toenemen, bijvoorbeeld door menselijke activiteit. Sporegassen zijn ook een indicator voor luchtvervuiling in de onderste lagen van de atmosfeer.
Lees meer: metingen aan sporegassen.Vanuit de ruimte kunnen concentraties sporengassen worden gemeten over de aardbol, en ook over de hoogte in de atmosfeer. Aan de hand van metingen wordt bestudeerd waar sporegassen vandaan komen, hoe ze zich verspreiden, en in welke cycli van aanmaak en afbraak ze betrokken zijn. Belangrijke kringlopen zijn de koolstofkringloop en de waterkringloop (koppeling van oceanen, land, biomassa, atmosfeer).

Dankzij de metingen van bijvoorbeeld Sciamachy is goed bekend waar zich de uitstootbronnen bevinden van stoffen als stikstofoxiden. Ze blijken afkomstig uit grote concentraties industriegebieden en uit intensief wegverkeer. Uitstoot van methaan is getraceerd tot landbouwgebieden, intensieve veehouderij en plekken waar delfstoffen worden gevonden. Sciamachy levert verder gegevens op die laten zien hoe de waterkringloop in elkaar zit, en waar kooldioxide in de atmosfeer wordt gebracht, en waar dat gas deels weer verdwijnt. Naarmate de meetreeks langer wordt is ook steeds zichtbaar hoe bijvoorbeeld de luchtverontreiniging in regio's van onder andere jonge economieën steeds verder toeneemt.
Aerosolen. Rookdeeltjes, woestijnstof, vulkanische as, roet, zoutdeeltjes, het zijn maar een paar voorbeelden van vaste stoffen die in de atmosfeer voorkomen. Ze worden aangeduid met de verzamelnaam aerosolen. Studie van deze stoffen is belangrijk omdat ze bijvoorbeeld kunnen dienen als condensatiekern, en zo de vorming van wolken beïnvloeden. Met satellietgegevens kunnen bronnen worden opgespoord, de verspreiding over de aarde en naar de hogere atmosfeer worden gevolgd, en de relatie met wolkenvorming worden vastgelegd. Belangrijke informatie voor klimaatmodellen. Ook hier laten de satellietmetingen zien dat menselijke activiteiten de vorming van aerosolen kunnen veroorzaken. Maar er zijn ook natuurlijke bronnen aan te wijzen, zoals fijn stof afkomstig uit woestijngebieden.

Naast metingen bedoeld voor zuiver wetenschappelijk onderzoek rond weer en klimaat, worden veel gegevens ook op continu-basis verzameld. Ze worden verwerkt tot dagelijkse overzichten – soms meerdere malen per dag. De kaarten, wereldwijd en regionaal, staan ter beschikking van gebruikersgroepen, zoals meteorologen, klimatologen en andere wetenschappers, maar ook overheden, landbouwkundigen, en dergelijke. Tot de ‘routine’ producten behoren onder andere:

Dagelijkse overzichten van luchtverontreiniging boven West-Europa en andere gebieden, veelal op basis van metingen aan het gas stikstofdioxide (NO₂). Ook troposferisch ozon (O₃) en zwaveldioxide (SO₂) gelden als indicatoren voor luchtvervuiling. Voorbeelden zijn te vinden bij de links naar OMI en SCIAMACHY.
Dagelijkse overzichten van de ozonconcentraties en verwachtingen hoe deze concentraties zich in de loop van de komende dagen ontwikkelen. Voorbeelden zijn te vinden bij de links naar OMI en GOME-2. De instrumenten kunnen ook apart de ozonconcentraties in de stratosfeer in beeld brengen zodat het ontstaan en verdwijnen van het ‘ozongat’ boven de poolgebieden kan worden gevolgd.
Dagelijkse overzichten van aerosolenconcentraties. De instrumenten brengen bijvoorbeeld de verspreiding van vulkaanstof in beeld, of laten zien hoe stof uit de Sahara uitwaaiert over Europa en de Atlantische oceaan. Voorbeelden zijn te vinden bij de links naar OMI, GOME-2 en SCIAMACHY.

Voortgezet onderzoek

Onderzoek rond de biosfeer is niet alleen wetenschappelijk interessant. Steeds vaker is er interesse vanuit het maatschappelijk-economische veld. Immers, de kwaliteit van het milieu en de ontwikkelingen in het klimaat zijn van direct belang voor de economie, de energiepolitiek en veiligheid. Samen met de Europese Unie ontwikkelt ESA het Global Monitoring for Environment and Security (GMES) programma. Het omvat onder andere een serie kleinere Sentinel-projecten. Een ervan, de Sentinel-5, gaat specifiek over atmosferisch onderzoek en moet een instrumentenpakket opleveren voor een van de volgende meteosatellieten van ESA / EUMETSAT. Nederland concentreert zich op een nieuw instrument voor deze missie: TROPOMI. De kans bestaat dat een voorloper van dit instrument op een eerdere missie (2014) meegaat om de datastroom vanuit SCIAMACHY veilig te stellen, ook als ENVISAT’s missie wordt beëindigd.

TROPOMI betekent Tropospheric Monitoring Instrument. Het combineert de eigenschappen van OMI en SCIAMACHY: een brede kijkhoek en een groot spectraal bereik. Anders dan de naam doet vermoeden, meet het instrument meer dan de ozonconcentraties in de troposfeer. Er zijn ook metingen mogelijk aan NO₂ en SO₂, aan methaan (CH₄), koolmonoxide (CO) en formaldehyde (HClO), eveneens een indicator van luchtvervuiling. Voor TROPOMI is een breed Nederlands consortium opgezet. Hierin participeren onder andere SRON en KNMI (beide hebben de wetenschappelijke leiding), naast TNO, Dutch Space en MECON.