Een kleine wasmachine met een brede kijkhoek
Met ongekende precisie brengt Tropomi luchtvervuiling wereldwijd in beeld. KNMI- en TU-onderzoekers Pieternel Levelt en Pepijn Veefkind stonden aan de wieg van dit satellietinstrument. “We kunnen nu stikstofdioxidepluimen terug de schoorsteen in modelleren.”
Een grote rode vlek ontsiert Rusland. ‘Welke stad zou daar liggen?’, vraagt hoogleraar atmospheric remote sensing Pieternel Levelt zich af, onder de indruk van zoveel stikstofdioxide-vervuiling (NO2). Het blijkt Novosibirsk te zijn. We vliegen richting Amerika. Onderweg zien we in Noord-India pluimen koolmonoxide die zich om de Himalaya heen richting China bewegen. En dan Mexico-Stad. De metropool ziet paars van NO2.
“Er valt zoveel te ontdekken”, zegt Levelt, terwijl ze samen met dr. Pepijn Veefkind de eerste beelden toont van november vorig jaar, gemaakt met het satellietinstrument Tropomi. Beide onderzoekers werken bij het KNMI en hebben een deeltijdaanstelling bij Civiele Techniek en Geowetenschappen.
Van pool tot pool
Het TROPOspheric Monitoring Instrument, zoals Tropomi voluit heet, ging op 13 oktober de ruimte in aan boord van de Europese satelliet Sentinel-5P, die ESA bouwde als onderdeel van het Europese aard-observatieprogramma Copernicus. Het instrument meet de concentraties van een tiental gassen in de atmosfeer. De wetenschappelijke leiding is in handen van het KNMI en SRON. Airbus en TNO bouwden het instrument. De satelliet draait op zo’n achthonderd kilometer hoogte van pool tot pool, veertien en een half rondje per etmaal. Bij elke ronde observeert ze een ander deel van de planeet. Tropomi is de opvolger van OMI, een instrument dat sinds 2004 rond de aarde draait en waarvoor Levelt de principal investigator is. Levelt: “OMI heeft nog altijd de langste meetreeks voor stikstofdioxide en zwavelstof-dioxide in de atmosfeer en doet het na bijna veertien jaar dienst uitzonderlijk goed.” Tropomi verschilt op belangrijke punten van OMI. Zo is de resolutie van het instrument tien keer beter en dat biedt onderzoekers nieuwe mogelijkheden.
Foto (c) Sam Rentmeester
Pieternel Levelt: “Je hoort niets van de Russen.”
'Met bijkomend modelleerwerk kunnen we een NO2-pluim herleiden tot een afzonderlijke vervuiler'
Foto (c) Sam Rentmeester
Pepijn Veefkind: “Na drie jaar werd het pas echt leuk.”
Levelt: “Tropomi heeft een ruimtelijke resolutie van 3,5 bij 7 kilometer, waarmee het mogelijk wordt om verschillende bronnen van luchtvervuiling te identificeren.”
Levelt haalt op haar computer beelden van Nederland tevoorschijn. We zien rode vegen NO2 boven de Randstad, fnet als bij Novosibirsk, maar minder intens. “Dit zijn beelden van één dag. Als we de gegevens over meerdere dagen middelen. verkrijgen we een hogere resolutie en kunnen we in
Rotterdam de luchtvervuiling boven de haven onderscheiden van luchtvervuiling boven het stadscentrum.” “Met bijkomend modelleerwerk kunnen we een NO2-pluim herleiden tot een afzonderlijke vervuiler, een elektriciteitscentrale bijvoorbeeld. Je modelleert die pluim als het ware terug de schoorsteenpijp in. Met deze inzichten kunnen beleidsmakers hun voordeel doen.”
De extra resolutie dankt Tropomi aan grotere optische onderdelen. Het optische gedeelte van OMI heeft de grootte van twee schoenendozen. Bij Tropomi is dat gedeelte zo groot als een kleine wasmachine.
Tropomi heeft een brede kijkhoek. Op het aardoppervlak geprojecteerd scant het over een breedte van 2600 kilometer. “Dat komt overeen met 120 graden”, zegt Levelt. Ze gaat staan en steekt haar armen in diezelfde hoek voor zich uit. “Zo beweegt Tropomi van pool naar pool. De Swath noemen we deze configuratie.” En de hoogleraar loopt door de kamer met uitgestrekte armen, zoals iemand een vogel zou nadoen.
Het instrument kan daarnaast twee belangrijke broeikasgassen meten: methaan en ozon. Over de hoeveelheid ozon in de troposfeer bestaan nog grote onzekerheden. En ook methaan is in nevelen gehuld. Het gas kent vele bronnen; de veeteelt, rijstvelden, moerasgebieden, vuilstortplaatsen, olie-en gaswinning en de ontdooiende permafrost. In welke mate al deze bronnen bijdragen aan de uitstoot is nog onduidelijk.
In 2003, nog voor de lancering van OMI, dachten de onderzoekers al na over een opvolger. “Een satellietinstrument heeft normaal gesproken een levensduur van ongeveer zes jaar”, zegt Veefkind. “Zo lang duurt het ook om een nieuw instrument te maken. Dus moet je meteen aan de slag aan een
opvolger.”
Levelt was de principal investigator van OMI en later van Tropomi. In 2009 gaf ze het stokje door aan
Veefkind, toen ze de rol van hoofd R&D satellietwaarnemingen bij het KNMI op zich nam. De twee trekken al vijftien jaar samen op.
Bijgelovige wetenschappers
Vrijdag 13 oktober om 13 uur (lokale tijd bij het lanceerplatform in het Russische Plesetsk) schoot Tropomi aan boord van de Sentinel-5P de lucht in met een Russische ‘Rockot’, de dertiende versie van dit type raket. Het getal dertien komt veel voor in de geschiedenis van Tropomi. Zoveel zelfs dat men zich in de wandelgangen afvroeg of de lancering niet beter op een ander moment kon plaatsvinden. “Ook wetenschappers kunnen bijgelovig zijn”, zegt Levelt met een lach.
Na de lancering verdween de satelliet anderhalf uur van de ESA-radar. Na haar eerste rondje om de aarde, pikte een Zweeds grondstation de satelliet op.
Op een groot wit scherm bij ESA-ESTEC in Noordwijk was een streep van ruis geprojecteerd. In die ruis verscheen plots een piepklein piekje. “Gejuich alom”, zegt Levelt. “Wat waren we opgelucht.” Veefkind: “Je moet je realiseren dat de Russen er andere gewoontes op nahouden dan wij. Om te beginnen tellen ze niet af. Op een gegeven moment schiet die raket gewoon weg. En je hoort verder niets van ze.”
'Dit project is geen theoretische exercitie. Er wordt echt een instrument gebouwd'
Na een maand beschikten de KNMI-onderzoekers over de eerste metingen. Het instrument meet spectraallijnen in de atmosfeer. Elk gas absorbeert licht van bepaalde golflengtes, en elk gas doet dat op een manier die hem karakteriseert. Door de spectra te meten – vierduizend kleuren van de regenboog – en te zoeken naar dipjes in de spectraallijnen kunnen de onderzoekers de concentraties van verschillende gassen herleiden.
“De metingen bleken uitzonderlijk goed”, zegt Veefkind. “En dat terwijl het instrument nog moest afkoelen. Direct na de lancering werd Tropomi verhit, een protocol om vervuiling aan de optische oppervlakken af te stoten. Na verhitting moest een systeem geactiveerd worden om het instrument weer af te koelen. Daarvoor moest een deurtje in de satelliet geopend. Dat is goed gegaan. Ook dat was erg spannend.”
Jarenlange lobby
Er zijn meer enerverende momenten geweest in de Tropomi-saga. In 2008 kreeg het team groen licht voor de ontwikkeling van de satelliet. Daar was jaren aan lobbywerk aan vooraf gegaan.
De Nederlandse overheid nam het gros van de financiering voor het instrument voor haar rekening: zo’n honderd miljoen euro verspreid over vijftien jaar. “Uiteindelijk is het besluit genomen door toenmalig minister Maria van der Hoeven van EZ, eindverantwoordelijk voor ruimtevaart”, zegt Levelt. “De champagne kon ontkurkt. De minister en ik werden beiden door de NOS geïnterviewd. Het is een enorm project.”
Nederland stuurt zo’n satelliet niet zelf de lucht in, maar is daarvoor afhankelijk van organisaties als ESA en Nasa. “We hebben op verschillende manieren in projecten gewerkt om het instrument op een missie te krijgen”, zegt Levelt. “Er zijn altijd talloze goede ideeën. Een fractie haalt de eindstreep.”
Afbeelding (c) KNMI
Computerbeelden waarop de vervuiling in het Ruhrgebied goed te zien is.
Uiteindelijk zag ESA het zitten om Tropomi onderdeel te laten uitmaken van ardobservatieprogramma
Copernicus en kon het instrument mee met satelliet Sentinel-5P. Ter opvolging van Tropomi gaan de komende jaren nog twee Sentinel satellieten de ruimte in met instrumenten om aan de chemie van de atmosfeer te meten. “Het is fijn om deel uit te maken van het Copernicus-project”, vervolgt Levelt. “Daarmee zijn we verzekerd van datacontinuïteit. Maar het betekent tegelijkertijd dat we een stap terug zetten. OMI en Sciamachy (een spectrometer aan boord van ESA’s Envisat-missie 2002-2012, red.) maakten deel uit van puur wetenschappelijke satellietmissies. Alleen de wetenschappers zaten aan de knoppen. Copernicus heeft een operationele en commerciële insteek. Het idee is dat bedrijven diensten ontwikkelen als Buienradar, maar dan gericht op de chemische kant van het weer.”
Emotioneel
Terug naar 2008. De financiering was geregeld. “Daarna volgde een lange periode met ontwerpwerk en het reviewen van documenten”, zegt Veefkind. “Na drie jaar werd het pas echt leuk. Toen begon de bouw: het frasen van stukken aluminium.”
Levelt: “Wil je dit werk goed kunnen doen, dan moet je affiniteit hebben met de daadwerkelijke bouw van satelliet-instrumenten. Tijdens mijn promotieonderzoek heb ik experimenteel optisch werk gedaan. Met die achtergrond snap je tegen welke problemen de industrie aan loopt. Dit project is geen theoretische exercitie. Er wordt echt een instrument gebouwd. Het is prachtig. Ik kan er emotioneel van worden.”
“In de cleanroom van TNO in Delft zagen we de eerste contouren van het optische deel van het instrument ontstaan”, zegt Veefkind. “In de jaren die volgden zijn we door Europa gekacheld in het zog van Tropomi. In Luik deden we ijkmetingen. Van daaruit ging het instrument naar Toulouse voor een vibratietest, die moest uitwijzen of het instrument de hevige trillingen tijdens de lancering zou overleven. Vervolgens gingen we naar Duitsland voor akoestische proeven. Volgende stop was een fabriek van Airbus in Engeland, waar Tropomi in de satelliet werd geschroefd. En vandaar uit naar Rusland voor lancering.”
Levelt: “En dan ben je je kindje kwijt.” Veefkind: “We hebben hier op aarde een kopie van de boordcomputer van Tropomi. Als we nieuwe meetsettings hebben bedacht, testen we die eerst daarop.”
Vanaf eind juni geeft het KNMI alle metingen van Tropomi vrij. Met maar enkele uren vertraging kan iedereen de data dan downloaden.
“De satelliet meet spectraallijnen”, zegt Veefkind. “Hij meet niet direct de vervuiling. Om die spectraallijnen om te zetten in de juiste vervuilingsdata gebruiken we behoorlijk ingewikkelde algoritmes. We zullen ervoor zorgen dat iedereen - klimaatonderzoekers, epidemiologen en beleidsmakers – de gegevens op een presenteerblaadje aangereikt krijgt.”
