Nederland is nú in staat om een gigantisch verschil te gaan maken bij de inventarisatie van het broeikasgas methaan dat door de mens in de atmosfeer komt. En dus van de kennis waar we dat wereldwijd ook het snelste kunnen aanpakken. Atmosfeerwetenschapper Jochen Landgraf, hoofdonderzoeker voor de TANGO-missie weet wát we daarvoor moeten doen, waarom nú het moment is, en waarom juist Néderland dit nu zou moeten doen.
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.
Nobelprijs ontcijferen ozongat
“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.”
Een volgende grootse stap
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.
Methaan is een tijdelijk broeikasgas
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.”
Moerassen, landbouw en fossiele industrie
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.
TROPOMI: boost voor terugrekenen emissie methaan
“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.”
De rest van de 70% ook zien
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.
Samen beperken: eerlijk vergelijken
“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 juiste moment
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.
Waarom kan Nederland dit goed?
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.
Instrument maken voor de ruimte
“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.”
Werkvoorbereiding op de grond
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.”
Nederlandse keten voor alle aspecten
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.”
Invloed en waarde
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.”
Verantwoordelijkheid nemen
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.”
The Netherlands is now able to make a big impact on the inventory of the greenhouse gas methane released into the atmosphere by humans. And consequently, in the understanding of where we can most rapidly address this worldwide. Atmospheric scientist Jochen Landgraf, principal investigator for the TANGO mission, knows what we need to do, why now is the time, and why especially the Netherlands should do it now.
Landgraf works for SRON Netherlands Institute for Space Research. SRON is one of the partners in the Dutch Clear Air consortium, which knows how to map problems with climate, air quality, and biodiversity worldwide. Other partners include KNMI, TNO, and TU Delft.
Landgraf learned the intricacies of atmospheric science from Nobel laureate Paul Crutzen, who uncovered the chemistry behind the hole in the ozone layer.
Nobel Prize
“His work allowed us to understand how to start recovering the ozone layer,” Landgraf says. “And it also gave us clearer understanding of the role of methane and nitrogen dioxide in the lower layer of the atmosphere.”
Crutzen also coined the term “anthropocene” for the current geological epoch, in which humans affect the earth’s system. He described in his models the “nuclear winter”: the total darkness and drastic cooling of the earth that would follow if nuclear war were to occur. Landgraf: “If he was on to something, you could see it in his eyes. It was a joy to work for him. He required a lot of his people, but his scientific curiosity inspired me tremendously.”
Another big step
Crutzen may no longer be alive, but today, too, scientists he inspired can make great strides to limit disruptive developments in the Earth’s system.
Landgraf has been working for 30 years now to understand better and better what is actually occurring in the atmosphere.As principal investigator for the TANGO mission, he now brings together Dutch knowledge and expertise for measuring carbon dioxide, nitrogen dioxide, and methane. (CO2, NO2 and CH4). This will give global decision makers detailed insight into the emission of greenhouse gases by humans.
Methane is a time-bound greenhouse gas
As principal investigator, Landgraf is bringing with him a lot of knowledge of space mission preparation, in particular for missions to observe methane. “What methane actually does in the atmosphere is to trap heat radiation, which warms the earth: the greenhouse effect. Since pre-industrial times, the Earth has warmed 1.28 degrees Celsius. About one degree is due to CO2 and 0.3 degree is due to methane, CH4.”
So, we must reduce CO2 emissions. “But also methane emissions,” says Landgraf.
“Because that’s where we can make rapid strides.” Methane stays in the atmosphere for 10 years until it spontaneously decomposes, he explains. “In the case of CO2, this is 1,000 years. This means that via methane, you can make a huge impact on the greenhouse effect even in the short term.”
For example, in the fossil industry, he outlines. There, it is released into the atmosphere as an unused byproduct of fuel extraction. “Reducing these methane emissions costs little to nothing”, Landgraf says. “You can capture it and use it. It is the main component of natural gas, which is comprised of four-fifths methane.”
Wetlands, agriculture, and fossil industry
The first methane measurements with a satellite, 20 years ago, gave atmospheric scientists an unprecedented view on a global distribution of this trace gas.
Landgraf: “SCIAMACHY, launched in 2003, with a large Dutch contribution, could see emissions from wetlands for the first time from space.” An estimated 30% of methane emissions to the atmosphere come from wetlands, Landgraf says.
Then in 2009, the Japanese mission GOSAT was launched, followed in 2017, by the Dutch instrument TROPOMI, the “eye” of the European satellite Sentinel-5p. Wetlands are a natural source of methane in the atmosphere. However various human activities combined are responsible for the remaining 70% of methane emissions into the atmosphere. For example, agriculture, the oil and gas industry, and landfills, Landgraf says.
TROPOMI boosted new techniques to determine methane emissions
“For tracking human emissions, TROPOMI really became a gigantic eye-opener,” says the scientist. “With TROPOMI, for the first time, we could see man-made emissions of methane unmistakably reflected as plumes on the world map. For example, we found the atmospheric footprint of blowouts, or explosions at oil and gas extraction sites. With those distinct plumes, we were able to improve our models so that we could trace back much more accurately, with much greater certainty, what man-made emissions must have occurred there.”
Seeing the rest of human induced emissions
TROPOMI can see plumes from so-called “super-emitters”: human sources that emit at least 100 kilotons of methane a year.
“But that’s the tip of the iceberg of the total emissions in which humans are involved. Now we also want to see the medium and smaller emissions caused by humans,” Landgraf says.
TANGO can look down to Earth with a 300 by 300 meters resolution. Therefore, it can richly complement, what the large methane measuring missions such as Sentinel-5p/TROPOMI and successor Sentinel 5 cannot pinpoint in detail. And this is valuable information for the green transition.
Fair comparison
“TANGO consists of two small satellites, each with a size of two buckets. That’s as big as they get,” says Landgraf.
These small satellites will allow the Netherlands to take the next big step in atmospheric science. And that is to provide the world with precise insight into medium- and small-sized methane plumes caused by humans, measured in the same manner everywhere, with public data that can be accessed by everyone.
“This is very important if you agree to reduce emissions together, as countries are now committing to the Methane Pledge and the Green Deal. If you want to be able to hold each other accountable to agreements, your measurements must be mutually comparable, verifiable, and transparent. Moreover, TANGO can also monitor the effect of agreements down to the plant level.”
Just the right time
The time is just right for the Netherlands to make that impact. Landgraf and colleagues proposed TANGO as an ESA Scout mission. That’s a new set of future ESA missions for which science and industry can jointly submit proposals. Scout missions take three years to go from the drawing board to space and have a modest budget. Such a budget is feasible for a smaller country like the Netherlands, while the knowledge and infrastructure available through experiences such as TROPOMI are also at an extraordinarily high level.
Why is the Netherlands capable of this?
To see the smaller methane plume clearly and interpret it properly, many areas of expertise must come together. From developing the technology and the instrument itself, to preparing the processes that convert the measurement data into an understanding of human emissions. The Netherlands is the base of parties that are truly world leaders in all these areas of expertise.
Building an instrument for space
“We can’t directly see methane in the observations but the instrument measures sun light reflected by the earth’s atmosphere,” Landgraf says. “A methane spectrometer compares incoming infrared radiation from the sun with outgoing infrared radiation. And in the comparison, light of certain infrared colors is missing. The absence of those colors reveals the presence of methane that the infrared light has encountered in the atmosphere.”
Compared to the overall concentration of methane , a small manmade emission plume gives but a tiny difference in the measured light, Landgraf says. “The fact that we can distinguish that from 500 kilometers altitude is simply super fascinating.”
TANGO can tilt slightly during an overflight, keeping the eyes focused on interesting targets . As a result, the tiny variations stand out more clearly. Which targets are worth the longer stare will be determined by scientists based on global inventories. “And if other missions see something suspicious, but not quite sharp enough, TANGO can take a detailed look at that.”
Ground segment
Measurement of infrared spectra th is only one part of the puzzle. Setting up a “ground segment” typically is a big job in space missions.
“To deduce methane concentrations from infrared measurements, you have to write a computer model that converts the measurements into a usable data product,” says Landgraf. In the Netherlands, this process of writing models takes place at the highest level.
“You have to make the computational model, in other words retrieval algorithm, in such a way that it will always work. All possible bugs and crashes have to be ironed out before the instrument goes into space. The computing models need to be well-developed, and they must run autonomously.”
Computational models that can convert the measured methane concentrations into estimated emissions demand just as much excellence. “That is the so-called inverse modeling. For a truly reliable conclusion, the algorithms take into account all sorts of phenomena that may have influenced the measurement, such as weather and cloud cover, or differences in reflectance between the forest or the desert.”
Dutch expertise chain for all aspects
For the development of the TANGO mission, the Netherlands has the research and development expertise of SRON, TNO, and ISIS Space at its disposal.
For the translation to methane concentrations on a map, and for their interpretation into estimated emissions, the Netherlands can rely on scientists at SRON and KNMI. They are capable – and this really is top-level work – of preparing the retrieval algorithm and the inverse modeling for the much sharper detail that will come to us from TANGO.
An upside of the Netherlands for this task, is that the instrument groups, atmosphere groups, and industry already know each other’s expertise very well. “We value each other very much and we enjoy to working as one team. We know where to find each other.”
This goes for the partners within the TANGO consortium, but also for a whole network of partners beyond that, says Landgraf. “Whether it’s about where to get the right telescope mirror or about who wrote the best model so far for smaller plumes.”
Influence and value
The Netherlands now can make the TANGO mission an entirely Dutch mission, which will have great influence and value on what the world will do to reduce methane emissions.
Member states of ESA will decide in 2024 whether to adopt TANGO as a Scout mission. The Netherlands has already earmarked the contribution for the instrument. Additional funding will also be required for the data processing and the scientific work carried out with it.
Landgraf is convinced that the Netherlands will rise to the challenge. “It is a huge opportunity to make the knowledge we have built up in the Netherlands over the past 30 years available to others. If we don’t move forward now, we will lose the expertise and reputation we have built up with the missions before this.”
Responsibility
Above all, Landgraf also thinks providing this insight if you can, is a responsibility that cannot be ignored. “We have to do something, or things will seriously get worse. Don’t underestimate how profound the climate crisis is going to be. It is a global problem, and it is going to happen. Using satellites, we can trace greenhouse gas emissions as a first step to reduce them. That way, we can mitigate global warming somewhat, and we can try to channel it. For this, all countries have to take responsibility, and richer countries have an even greater responsibility.”