Een Nederlandse bijdrage aan atmosfeeronderzoek vanuit de ruimte
Het Ozone Monitoring Instrument (OMI) is een satellietinstrument dat sinds 2004 in een baan om de aarde draait en metingen doet aan de samenstelling van de aardatmosfeer. Het instrument is een voorbeeld van remote sensing, waarbij satellieten met behulp van verschillende technieken vanuit de ruimte de aarde observeren (Figuur 1).
In een dergelijk project werken veel landen met elkaar samen, maar voor het OMI-project heeft Nederland een hoofdrol. De wetenschappelijke leiding is in handen van het KNMI en daarmee is het KNMI eind verantwoordelijke voor het succes van het instrument. Ook het operationele beheer van het instrument wordt 24 uur per dag vanuit De Bilt verzorgd. Verder is het instrument gebouwd door Dutch Space en TNO in samenwerking met Finse industriële partners. De satelliet waarop OMI is bevestigd, is ontwikkeld en gelanceerd in opdracht van NASA. De meetgegevens worden tot wetenschappelijke data verwerkt door het KNMI en verschillende andere instituten in de Europa en de VS. Die data worden vervolgens vrij op internet aangeboden en door onderzoekers uit allerlei verschillende disciplines wereldwijd gebruikt.
Aan de hand van een aantal trefwoorden leggen we de basisprincipes van het instrument uit. Andere artikelen in het Kenniscentrum gaan dieper in op een aantal van de belangrijkste sporengassen die OMI meet.
OMI is gebouwd om metingen te verrichten aan de chemische samenstelling van de atmosfeer. De toestand en de samenstelling van de atmosfeer veranderen echter sterk in de loop van de dag. Overdag is er bijvoorbeeld meer vervuilende uitstoot door autoverkeer en industriële bedrijvigheid. Maar er zijn ook natuurlijke effecten aan te wijzen.
Door de opwarming van het aardoppervlak overdag en afkoeling ’s nachts is er een dagelijkse cyclus in de luchtcirculatie. Overdag is de onderste laag van de atmosfeer instabieler waardoor lucht gemakkelijker kan stijgen en dalen (convectie). Dit heeft invloed op de menging van de atmosfeer en daarmee op de samenstelling. Luchtvervuiling in industriegebieden blijft ’s nachts daardoor bijvoorbeeld gemakkelijker op dezelfde plek hangen dan overdag.
Ook de reactie van sommige moleculen met licht veroorzaakt een dagelijkse variatie in de atmosfeersamenstelling. Onder invloed van licht vallen bepaalde moleculen uit elkaar (fotolyse) en ontstaan er nieuwe deeltjes. De nieuwe ontstane moleculen reageren op hun beurt weer met andere moleculen, waardoor ook de concentraties van andere stoffen veranderen. De atmosfeer is immers een complex mengsel van een heleboel verschillende stoffen. Door fotolysereacties verschuift het chemische evenwicht in de atmosfeer gedurende de dag, maar ’s nachts treedt het omgekeerde proces op. Dan is het donker en zijn fotolysereacties afwezig.
Het is daarom belangrijk dat OMI alle plekken op aarde zo veel mogelijk op hetzelfde moment van de dag meet. Dit krijgt men voor elkaar door een speciale satellietbaan te kiezen die op een slimme manier op de rotatie van de aarde is afgesteld.
De satelliet waarop het meetinstrument OMI is gemonteerd heet Aura en draagt nog een aantal andere meetinstrumenten (Figuur 2). De instrumenten zijn zo gekozen dat hun metingen elkaar aanvullen. De satelliet draait per dag ongeveer veertien rondjes om de aarde. Die rondjes gaan over de noord- en de zuidpool (Figuur 3). Aan de dagkant van de aarde vliegt de satelliet steeds van zuid naar noord en aan de nachtkant in omgekeerde richting weer omlaag. Een raket heeft de satelliet op 15 juli 2004 in een baan om de aarde op 705 km hoogte boven het aardoppervlak gebracht (Figuur 4). Op deze hoogte duurt een rondje 98 minuten. De satelliet heeft daarbij een snelheid van ongeveer 7.5 kilometer per seconde.
Eigenlijk vliegt de satelliet niet precies over de noord- en de zuidpool, maar komt hij er ietsje naast over. De baan van de OMI-satelliet is gedraaid over een hoek van ongeveer 8 graden ten opzichte van de polen. Uit berekeningen volgt dat bij die hoek de satelliet een bepaalde breedtegraad op steeds hetzelfde lokale tijdstip passeert. Men heeft voor de evenaar gekozen voor het vaste tijdstip van 13.45u (lokale tijd). Als de satelliet vanaf de aarde te zien zou zijn, dan ziet iemand die op de evenaar woont deze dus van zuid naar noord overkomen om kwart voor twee ’s middags. De satelliet passeert de zuidelijke breedtegraden een paar minuten eerder en de noordelijke breedtegraden een paar minuten later. Maar bij ieder rondje om de aarde wordt een breedtegraad op hetzelfde bijbehorende lokale tijdstip gepasseerd. Dit type satellietbaan heet een polaire, zon-synchrone baan.
Het licht dat de zon uitzendt, bestaat uit een heleboel verschillende golflengtes. De golflengte is een eigenschap van het licht. In het dagelijks taalgebruik wordt vaak gesproken van de kleur van licht en daarmee wordt meestal hetzelfde bedoeld. Maar het is goed om te bedenken dat niet alle golflengtes (kleuren) door de mens gezien kunnen worden. De meeste golflengtes zijn voor de mens juist niet zichtbaar. Daarom spreekt men in fysische vaktaal liever van golflengte in plaats van kleur en van straling in plaats van licht.
In wezen doet OMI niets anders dan het zonlicht dat door de aarde weerkaatst wordt onderscheppen en het spectrum ervan meten (Figuur 5). Dat betekent dat het licht in al zijn golflengtes uiteen wordt gerafeld en voor iedere golflengte de hoeveelheid licht (intensiteit) wordt bepaald. Het spectrum van het weerkaatste licht is eigenlijk een tabel van alle golflengtes die erin voorkomen en de bijbehorende intensiteiten.
Dit spectrum bevat alle informatie over de atmosfeer die we willen weten. Alleen is die informatie op een heel ingewikkelde manier in het spectrum versleuteld. Veel wetenschappers houden zich bezig met de vraag hoe we dit spectrum moeten ontcijferen. Dit is de kernvraag van het vakgebied van remote sensing.
Hoewel spectrometers technisch steeds geavanceerder worden, is het basisprincipe altijd hetzelfde. Het hart van veel spectrometers wordt gevormd door een klein voorwerpje dat tralie of rooster wordt genoemd. En het elementaire principe waarop het uiteenrafelen in golflengtes door zo’n tralie berust, heet interferentie.
In OMI is de tralie een spiegelende laag waarvan het oppervlak de vorm van een zaagtand heeft. In feite zijn het een heleboel kleine spiegeltjes die op hun kant zijn gezet. Een van de gebruikte tralies heeft per millimeter bijna 2900 van zulke spiegeltjes. Als licht schuin op de tralie invalt, zal ieder van die spiegeltjes een beetje licht reflecteren. En als we willen weten wat de lichtbundel is die door de tralie uiteindelijk weerkaatst wordt, dan moeten we het licht afkomstig van die duizenden kleine spiegeltjes bij elkaar optellen. De bundel die de tralie weerkaatst, is de optelsom van alle afzonderlijke lichtbundeltjes, net zoals bij een gewone spiegel elk stukje van de spiegel aan het spiegelbeeld bijdraagt. Maar er is een belangrijk verschil: Omdat de spiegelstukjes nu op hun kant zijn gezet, krijgt de optelsom een andere uitkomst.
Voor de tralie geldt namelijk dat licht dat van verschillende spiegeltjes afkomstig is een iets kortere of langere weg heeft afgelegd. Daardoor lopen lichtbundels van verschillende spiegeltjes niet meer met elkaar in de pas en gaan ze interfereren. Interferentie is het netto effect van het optellen van lichtgolven. Meestal gebeurt er weinig spectaculairs, maar soms, wanneer het verstrooiende oppervlak een heel regelmatige structuur heeft, ontstaan er nieuwe patronen. In het geval van een reflectietralie hangt de hoek waaronder de tralie de invallende lichtbundel weerkaatst plotseling af van de golflengte. Dat is een opmerkelijk verschil met een vlakke spiegel. Rood licht komt onder een andere hoek uit de tralie dan blauw licht. En dit is precies wat we willen: de verschillende golflengtes van de invallende bundel worden van elkaar gescheiden (Figuur 6).
Een tralie doet dus het echte werk, maar de andere onderdelen verrichten ook belangrijk werk. Een sterke telescoop zoomt in op de aarde, lenzen en spiegels sturen de invallende lichtbundel de juiste kant op en beelden de door de tralie weerkaatste bundel op een CCD-detector af, elektronica ten slotte leest de CCD-detector uit en controleert het instrument (Figuur 7). Waarom is een instrument als OMI technisch zo innovatief? Omdat we alleen iets aan het spectrum hebben als het uiterst precies gemeten wordt. Dat betekent dat alle optische en elektronische onderdelen die het signaal verwerken de meting zo min mogelijk mogen beïnvloeden. En om dat voor elkaar te krijgen moeten ingenieurs behoorlijk wat ingewikkelde trucs uithalen.
Er zijn grofweg twee typen satellietinstrumenten. De ene groep instrumenten zendt zelf een stralingspuls naar de aarde uit en meet hoeveel straling er weerkaatst wordt. Een bekend voorbeeld van dit principe is radar. De andere groep instrumenten meet het weerkaatste zonlicht. OMI behoort tot die laatste groep. Alle instrumenten berusten op hetzelfde principe: Het licht dat op de aarde invalt –of dat nu zonlicht of een radarsignaal is-, wordt vergeleken met het licht dat van de aarde terugkomt.
Zonlicht dat door OMI gemeten wordt nadat het door de aarde is weerkaatst, heeft een lange geschiedenis. Het kan op een heleboel plekken in de atmosfeer verstrooid worden. In de eerste plaats zijn er de wolken die veel licht terugkaatsen. Wolken zijn immers wit en bovendien bedekken ze een groot deel van de aarde (ongeveer twee derde). Maar ook het aardoppervlak zelf weerkaatst licht, net als fijne stofdeeltjes die in de atmosfeer zweven, zoals vulkaanas en opgewaaid woestijnzand. Tot slot vindt er ook verstrooiing aan luchtmoleculen plaats. Omdat zonlicht op zoveel verschillende manieren in de atmosfeer en aan het aardoppervlak verstrooid kan worden, is het misschien beter om te spreken van weerkaatsing aan het aarde-atmosfeersysteem in plaats van aan de aarde.
Lucht is een mengsel van allerlei verschillende gassen. De belangrijkste gassen zijn stikstof en zuurstof. Alle andere gassen komen slechts in heel kleine hoeveelheden voor en worden daarom sporengassen genoemd. Maar deze sporengassen hebben vaak wel een uitzonderlijk grote invloed op de stralingsbalans van de aarde. Denk bijvoorbeeld aan het ozon (O3) in de ozonlaag en het broeikasgas koolstofdioxide (CO2). Meestal verstrooien gasmoleculen het zonlicht dus, maar voor sommige gassen geldt dat ze bij bepaalde, heel specifieke golflengtes het invallende licht juist absorberen (Figuur 8). En hoe meer er van dat betreffende gas is, des te meer licht wordt er bij de bijbehorende golflengte geabsorbeerd.
Figuur 8: Optische diktes van de belangrijkste sporengassen voor het golflengtebereik waarin OMI meet (270-500 nm). De optische dikte is een maat voor de sterkte van de absorptie in de atmosfeer. Ze is evenredig met de absorptiesterkte van één molecuul en met het totale aantal moleculen in de atmosfeer. In dit figuur zijn typische waarden voor de concentraties van de verschillende gassen aangenomen. 03:ozon; SO2:zwaveldioxide; NO2:stikstofdioxide; HCHO:formaldehyde; CHOCHO:glyoxal; O2-O2: botsingsgroepen van twee zuurstofmoleculen.
Het aarde-atmosfeer systeem laat als het ware een vingerafdruk op het invallende zonlicht achter. Het weerkaatste licht wordt de radiantie genoemd en het directe zonnespectrum de irradiantie (Figuur 9). Meestal meet OMI de radiantie, maar een keer per dag wordt ook de zonne-irradiantie gemeten. Door die twee spectra met elkaar te vergelijken, kan de vingerafdruk van de aarde zichtbaar worden gemaakt. En opmerkelijk genoeg, de concentraties sporengassen kunnen we aflezen aan de diepte van de absorptie dus aan de hoeveelheid licht die niet terugkomt.
Altijd wanneer je iets meet, heb je te maken met resolutie. Dit is een belangrijke eigenschap van het meetinstrument dat je gebruikt. De resolutie van een instrument is het kleinste verschil dat je nog nèt met dat instrument kunt meten. Een klok zonder secondeaanduiding bijvoorbeeld heeft een resolutie van een minuut. Tijdsduren die meer dan een minuut verschillen kun je met zo’n klok prima meten. Maar is het verschil tussen de winnaar en nummer twee enkele secondes, dan zul je op zoek moeten naar een stopwatch met een betere resolutie. Voor een instrument als OMI zijn drie soorten resoluties van belang.
Als OMI recht naar beneden op de aarde kijkt, is de ruimtelijke resolutie 13 bij 24 km (Figuur 10). Dat betekent dat het aardoppervlak is verdeeld in hokjes van die afmeting en dat voor ieder hokje het radiantiespectrum van de atmosfeerkolom boven zo’n hokje gemeten wordt. We kunnen door die hoge resolutie bijvoorbeeld goed onderscheid maken tussen de uitstoot van stikstofdioxide (NO2) in het Rotterdams en het Antwerpse havengebied. Het verschil in uitstoot tussen twee fabrieken die dicht bij elkaar in het Rotterdamse havengebied liggen, kunnen we niet waarnemen: we zullen een hoge gemiddelde NO2-concentratie voor het betreffende hokje vinden, maar welke fabriek de meeste uitstoot produceert is niet te zeggen. De ruimtelijke resolutie hangt onder meer samen met de gebruikte telescoop.
Op een vergelijkbare manier heeft OMI ook een tijdsresolutie. Na ongeveer veertien rondjes heeft het instrument de hele aarde in beeld gebracht. Daar heeft ze een dag voor nodig. Dezelfde plek op aarde wordt dus gemiddeld een keer per dag gemeten en dit is de tijdsresolutie.
Tot slot is er de spectrale resolutie. Deze resolutie heeft met de meting van het spectrum te maken en met het vermogen om licht van verschillende golflengtes van elkaar te onderscheiden. Hoe beter de spectrale resolutie, des te beter zijn we in staat om bijvoorbeeld absorptielijnen van de verschillende sporengassen in de atmosfeer te meten. Gemiddeld over het hele golflengtebereik waarin OMI meet, is de spectrale resolutie 0.5 nm (nanometer). De spectrale resolutie wordt vooral begrensd door de gebruikte tralie.
Om de concentraties van sporengassen te weten te komen, meet OMI de radiantie en één keer per dag de zonne-irradiantie. Maar om die concentraties ook daadwerkelijk uit te kunnen rekenen, is er nog een essentieel onderdeel nodig: een stralingstransportmodel. Zo’n computermodel bevat alle fysische vergelijkingen die beschrijven hoe straling in de atmosfeer zich gedraagt. Op zich zijn die fysische wetten niet eens zo heel moeilijk. De meeste zijn al lang geleden door natuurkundigen bedacht. De complexiteit van een stralingstransportmodel schuilt in de complexiteit van de atmosfeer.
Als zonlicht op de aarde invalt, kunnen er veel verschillende dingen gebeuren. De tientallen soorten atmosferische gassen verstrooien en absorberen, net als stofdeeltjes en het aardoppervlak. Wolkendruppeltjes verstrooien en vaak meerdere keren achter elkaar. Bovendien hangen absorptie en verstrooiing samen met de meteorologische toestand van de atmosfeer zoals temperatuur en druk. Een stralingstransportmodel rekent voor iedere golflengte alle verschillende mogelijkheden door. En omdat het er zo veel zijn, moeten allerlei wiskundige rekentechnieken worden toegepast om dat zo efficiënt mogelijk te doen.
Als je dus precies weet wat de eigenschappen van de aarde-atmosfeer zijn èn je weet wat het invallende zonnespectrum is, dan kun je met een stralingstransportmodel uitrekenen wat het spectrum is dat van de aarde terugkomt. Maar eigenlijk willen we het omgekeerde, want door met OMI de radiantie te meten proberen we de eigenschappen van de aarde-atmosfeer juist te achterhalen. Ook om die vraag te beantwoorden gebruiken we een stralingstransportmodel.
Het is nog niet zo lang geleden dat er voor het eerst satellietmetingen van de atmosfeer werden gedaan. De eerste satellieten voor dit doel werden in de jaren zeventig gelanceerd en de instrumenten aan boord verrichtten metingen aan de ozonlaag. Die instrumenten maten in het ultraviolette deel van het spectrum in een aantal kleine golflengtebandjes. De techniek heeft zich daarna verder ontwikkeld. OMI meet met hoge resolutie het ultraviolette en zichtbare deel van het spectrum.
Satellietinstrumenten gaan maar een paar jaar mee. Ze staan in de ruimte bloot aan allerlei schadelijke kosmische straling en bovendien is het onmogelijk om onderhoud te verrichten als de satelliet eenmaal is gelanceerd. Op het moment dat een nieuw satellietinstrument aan zijn missie begint, wordt er al nagedacht over een opvolger. Voor wetenschappelijk onderzoek aan de atmosfeer is het namelijk heel belangrijk dat er meetreeksen worden opgebouwd die continu doorlopen.
In Figuur 11 zie je bijvoorbeeld de ontwikkeling van het ozongat boven de zuidpool gedurende dertig jaar. Aan de totstandkoming van deze meetreeks hebben verschillende opeenvolgende satellietinstrumenten bijgedragen: TOMS-instrumenten, SBUV-instrumenten, GOME, SCIAMACHY, OMI en GOME-2. Je ziet dat vanaf begin jaren tachtig het ozongat gestaag groter is geworden en zich daarna stabiliseerde. Dit is de langetermijnontwikkeling of trend. Je ziet ook dat 2002 een jaar met een extreem klein ozongat was. Alleen omdat we 2002 kunnen vergelijken met voorgaande jaren, herkennen we dat het een ongebruikelijk jaar was en geen trendbreuk vormt. Uit later onderzoek bleek inderdaad dat het kleine ozongat het gevolg was van een uitzonderlijke windcirculatie rond de polen in dat jaar. Als het ozongat niet continu gemeten werd, dan zouden we gedacht hebben dat het ozongat kleiner werd. Dit is niet geval: een herstel van de ozonlaag boven de zuidpool wordt pas verwacht rond 2050.
Figuur 11: Langetermijnontwikkeling van het ozongat boven de zuidpool. De wereldbollen geven de gemiddelde hoeveelheid ozon weer in de maand oktober boven de zuidpool. (Je kijkt dus tegen de onderkant van de aarde aan.) In die maand is het ozongat het grootst. Hoe blauwer de kleur, des te minder ozon is er aanwezig. De staafdiagrammen beschrijven het totale ozontekort.
OMI is inmiddels opgevolgd door Tropomi. Tropomi is 13 oktober 2017 gelanceerd. Ook over dit project heeft het KNMI de wetenschappelijke leiding.
Dank aan Piet Stammes en Pepijn Veefkind voor commentaar op eerdere versies van dit artikel en aan Bas Mijling voor de animated gif. Foto credits: Dutch Space (2B), OMI team (overige foto’s)