Tropomi is het wereldwijd meest geavanceerde satellietinstrument voor stikstofdioxide (NO2).
Het in Nederland ontworpen satellietinstrument Tropomi is in oktober 2017 gelanceerd aan boord van de Europese Copernicus satelliet Sentinel-5P. Sinds april 2018 levert het instrument een datastroom van 1 Terabyte per dag. Een van de belangrijkste producten van Tropomi is de hoeveelheid stikstofdioxide (NO2) in de atmosfeer. Als het gaat over het neerslaan van stikstof in de natuur in Nederland zijn er twee gassen in de atmosfeer belangrijk: stikstofdioxide (NO2) en ammoniak (NH3). Beide gassen kunnen worden waargenomen vanuit de ruimte met behulp van satellietinstrumenten.
Tropomi meet de hoeveelheid NO2 in de atmosfeer. Deze hoeveelheid is uit de metingen af te leiden door een gedetailleerde analyse te maken van kleine verschillen in het gereflecteerde zonlicht aan de aarde en de atmosfeer. NO2 is een product van verbrandingsprocessen. Veel NO2 komt bijvoorbeeld vrij bij het verbranden van fossiele brandstoffen (kolen, olie, aardgas, diesel, benzine). Industrie, energiecentrales, scheepvaart en het wegverkeer zijn daardoor belangrijke sectoren voor de uitstoot van NO2 in Nederland.
Uit de Tropomi-metingen is de hoeveelheid NO2 in de lucht precies af te leiden. Van dag tot dag zijn er soms beperkingen, bijvoorbeeld omdat het die dag (teveel) bewolkt is geweest. De jaargemiddelde verdeling (figuur 1) toont duidelijk grote verschillen in de hoeveelheid NO2 tussen de verschillende regio’s in Nederland en de directe omgeving. Verreweg de meeste stikstofdioxide wordt gezien boven Rotterdam, Amsterdam, Schiphol en de Randstad als geheel. Vergelijkbare regio’s met sterk verhoogde NO2 in het nabije buitenland zijn: Antwerpen, de rest van Vlaanderen, het Roergebied in Duitsland en ook de metropoolregio’s van Parijs en Londen.
NH3 wordt op een andere manier gemeten met satellietinstrumenten. De hoeveelheid NH3 in de atmosfeer is af te leiden door een gedetailleerde analyse te maken van kleine verschillen in de uitgaande warmtestraling van de aarde en atmosfeer. NH3 wordt gebruikt voor het maken van kunstmest, schoonmaakmiddelen en koelmiddel voor grote koelinstallaties. Het is ook aanwezig in mest. NH3 ontstaat wanneer een dier eiwitten heeft gegeten. Landbouwactiviteiten vormen de belangrijkste bron van ammoniak in Nederland.
Het CrIS instrument dat op een Amerikaanse satelliet vliegt levert op dit moment ammoniakmetingen vanuit de ruimte met de kleinste onzekerheid. Een 5-jaars gemiddelde verdeling op basis de CrIS metingen van NH3 toont duidelijk grote verschillen in de hoeveelheid NH3 tussen de verschillende regio’s in Nederland en de directe omgeving. De grootste hoeveelheid NH3 wordt gezien boven Noord-Brabant, de Gelderse vallei en het oosten van Nederland. Ook wordt er door CrIS veel NH3 gemeten boven het noordwesten van Duitsland.
Vanuit de ruimte meten we in essentie de totale hoeveelheid NO2 of NH3 boven een bepaald gebied, oftewel de som van de hoeveelheid van het gas aan de grond en de hoeveelheid van het gas in alle luchtlagen daarboven. Deze totale hoeveelheid is sterk gerelateerd aan de uitstoot en de depositie (stikstofverbindingen die weer op de grond neerslaan) maar het is niet precies hetzelfde. Je kan de volgende analogie gebruiken: je houdt een lekke emmer onder de kraan. De satelliet meet de hoeveelheid water in de emmer, maar het meet niet de waterstroom uit de kraan (de uitstoot en de bijdrage uit het buitenland) en ook niet de waterstroom uit de emmer (de depositie en de uitstroom naar het buitenland).
Door satellietmetingen te combineren met de kennis van het weer, de meteorologie, zijn nauwkeurige schattingen te maken van de uitstoot en ook van de stikstofstromen van en naar het buitenland en het netto transport over de landsgrenzen. In theorie is het budget van NO2 met satellietmetingen aangevuld met andere gegevens voor elke regio sluitend te krijgen. Je weet nauwkeurig wat in de regio aanwezig is en wat in- en uitstroomt. Als je vervolgens precies weet wat er in de regio is uitgestoten, dan volgt daaruit de totale stikstofdepositie. In de praktijk is er uitgebreid toegepast wetenschappelijk onderzoek nodig om het stikstofbudget in een regio sluitend te krijgen. Langere meetperiodes bieden hierbij steeds meer zekerheid. Eerste ervaringen met de Tropomi satellietmetingen laten zien dat deze nu al goed te gebruiken zijn om de geschatte emissies en de veronderstelde ruimtelijke verdeling van de verschillende bronnen van NO2 te controleren.
Een sterke kant van satellietwaarnemingen is ook dat heel Nederland in een raster met blokken van 3,5 bij 5,5 kilometer gemeten wordt. Grondmeetnetwerken hebben meestal geen volledige en gelijkmatige bedekking over een hele regio of land. Met satellietwaarnemingen is dan ook de totale emissie van een land of regio te bepalen, bijvoorbeeld de uitstoot ten gevolge van olie en gaswinning.
Satellietmetingen vullen de luchtkwaliteitsmetingen aan de grond aan, maar ze kunnen deze niet vervangen. Door hun positie vanuit de ruimte meten ze overal en kunnen ze een gebrek aan informatie tussen meetpunten aan de grond aanvullen. Satellieten meten echter niet de luchtkwaliteit aan de grond, ze meten niet de hele dag, en ze hebben een beperkt ruimtelijk oplossend vermogen in de orde van minimaal enkele kilometers. Dit is niet voldoende om bijvoorbeeld het verschil in luchtkwaliteit tussen verschillende straten in de stad te zien. Satellieten als Tropomi hebben een vaste tijd waarop ze overkomen. Voor Tropomi is dit ongeveer rond 13.00 uur, aan het begin van de middag. Veranderingen in luchtkwaliteit gedurende de dag worden dus gemist. Het landelijk meetnet van het RIVM is essentieel om deze informatie met betrekking tot luchtkwaliteit, met name ook voor NO2 en NH3, te verschaffen.
We hebben gezien dat de satellietgegevens van NO2 en NH3 op dit moment vooral gebruikt worden om de stikstofbestanddelen boven Nederland in kaart te brengen (figuur 1). Uit meerjarige trend studies valt hiermee de komende jaren te analyseren of de hoeveelheden NO2 en NH3 even snel afnemen als afgesproken.
De stikstofpluimen hebben we nog niet in beeld. Die zijn te analyseren door de metingen te combineren met gegevens van weermodellen die de horizontale en verticale verdeling, omzetting en verplaatsing van de stikstofverbindingen simuleren op basis van de nauwkeurige meteorologische informatie van het KNMI (wind, temperatuur, regen etc.)
We verwachten dat het mogelijk wordt om steeds nauwkeuriger emissieschattingen te maken. Omdat ook de stromen over de landsgrenzen van dag tot dag nauwkeurig zijn vast te stellen, kunnen we het stikstofbudget sluitend krijgen. Door rekening te houden met het dagelijkse weer is de verwachting dat per regio kwantitatief te bepalen is hoeveel van de stikstofbestanddelen in de regio op de grond terechtkomen. Voorlopig is een sluitend budget echter nog toekomstmuziek.
Er is inmiddels in Nederland, en ook wereldwijd, al jarenlange ervaring in het combineren van de satellietmetingen van NO2 met weergegevens ten behoeve van de luchtkwaliteit verwachting en het berekenen van de NO2 uitstoot . Met de nieuwe satellietmetingen van ammoniak is er beginnende ervaring. Gezien het maatschappelijk belang zou het toegepast wetenschappelijk onderzoek gericht op het berekenen van de belangrijkste stikstofstromen op basis van satellietdata een snelle vlucht kunnen nemen. Een van de aanbevelingen van het Adviescollege Meten en Berekenen Stikstof (commissie Hordijk, 15 juni 2020) luidde: “Het adviescollege beveelt [..] vernieuwing met behulp van satellietmetingen aan. Satellietmetingen dragen bij aan het evalueren en valideren van modellen. Verder kunnen zij ruimtelijke patronen in de concentratie van stikstofdioxide en ammoniak in kaart brengen en is het mogelijk om ze te gebruiken voor emissieschattingen."
