Ozonsmog reist de Stille Oceaan over

De uitstoot van stikstofoxiden aan de Amerikaanse westkust is door allerlei milieumaatregelen sterk verminderd. Omdat ozon een chemisch product is van stikstofoxiden, was de verwachting dat ook de ozonconcentraties daar zouden afnemen, maar dat is niet het geval. Dat komt door het transport van ozon vanuit China over de Stille Oceaan via de hogere luchtlagen naar de Amerikaanse westkust, zo blijkt nu uit satellietmetingen en modelsimulaties.

door

Niet eerder is zo duidelijk gesteld dat het atmosferisch transport van luchtverontreiniging via de vrije troposfeer (ruwweg de luchtkolom tussen drie en negen kilometer) de concentraties in andere delen van de wereld significant beïnvloedt, aldus Willem Verstraeten. Hij is als atmosferisch onderzoeker verbonden aan het KNMI en Wageningen universiteit (WUR). “Wij verwachtten al langer dat het transport van ozonsmog elders tot een meetbaar hogere concentratie zou leiden, maar satellietwaarnemingen in combinatie met modelanalyses hebben dit nu bevestigd.” Het onderzoek van KNMI en WUR is deze maand gepubliceerd in Nature Geoscience.

Ozonkolom tes

Ozonkolom in de troposfeer (tussen drie en negen kilometer) in de Pacifische regio. Boven: periode 2005-2006; onder: periode 2009-2010. Nature Geoscience

Schoner wagenpark

Ozonsmog (niet te verwarren met het probleem van het ozongat in de stratosfeer) is schadelijk voor de gezondheid en leidt tot verminderde opbrengsten van landbouwgewassen. Het wordt onder invloed van zonlicht gevormd, waarbij NO2 (stikstofdioxide) de belangrijkste precursor (uitgangsstof) is. Industrie en verkeer zijn de voornaamste bronnen van NO2. Door strengere eisen te stellen aan het wagenpark, de transportsector en de industrie gaan de emissies in Europa en Noord-Amerika aantoonbaar omlaag. In China steeg de uitstoot als gevolg van de sterke economische groei echter. Nu blijkt dus dat regionale maatregelen om de uitstoot te beperken slechts een beperkt effect hebben omdat de smog over grote afstanden van elders wordt aangevoerd.

Westenwinden

De ozonsmog die boven China wordt gevormd, waait via de vrije troposfeer met overheersende westenwinden over de Stille Oceaan oostwaarts, benadrukt Verstraeten. “Zo komt het terecht aan de westkust van de Verenigde Staten. Daar botst het tegen de bergketens van de Rocky Mountains op en zorgt op die plek voor hogere ozonconcentraties.”

1280px mountains from westlands

De oostelijke zijde van de Rocky Mountains. Wikimedia Commons

De Verenigde Staten exporteert zelf ook ozonsmog. “Die waait over de Atlantische Oceaan naar het Europese continent. Onderzoekers berekenden dat Europa slechts de helft van de ozonsmog boven eigen grondgebied zelf produceert”, aldus Verstraeten. “Een kwart is afkomstig van de Verenigde Staten, vijftien procent uit Azië en tien procent komt vanuit de stratosfeer, de luchtlaag boven de troposfeer.”

Industriële outsourcing

Dat China zoveel luchtvervuiling produceert, verrast Verstraeten niet. “Het is een logisch gevolg van industriële outsourcing. Europa en de Verenigde Staten hebben veel vervuilende industrieën gesloten en verplaatst naar Azië. Het is dus niet zo vreemd dat we de vervuiling die daardoor ontstaat weer via een omweg op ons bordje krijgen.”

Chinahaze tmo 2013341 lrg

Luchtvervuiling boven China in de winter van 2013. NASA (MODIS op de Terra satelliet)

Eenvoudig is het niet om gegevens over luchtvervuiling met China uit te wisselen, is zijn ervaring. China doet zelf geen waarnemingen van luchtvervuiling vanaf satellieten. In het verleden was er weinig openheid over Chinese meetgegevens aan het aardoppervlak, maar daar komt nu langzaamaan verandering in. Het KNMI krijgt regelmatig Chinese wetenschappers over de vloer die in deze materie geïnteresseerd zijn. Recent is het KNMI een samenwerking gestart met Chinese universiteiten.

Meer recente satellietmetingen (die buiten de hier geciteerde publicatie in Nature Geoscience vallen) laten een neerwaartse trend van NOx-emissies in China zien vanaf 2012. Volgens Verstraeten is dit te verklaren door een (relatieve) afname van de economische groei in combinatie met de overstap van kolengestookte naar gasgestookte elektriciteitscentrales. Al vanaf het begin van de economische crisis in 2008 is de economische groei er iets afgevlakt tot circa zeven procent. Dat is voor Europese begrippen overigens nog steeds erg hoog.

Mk figuur v1 2 ozon in de atmosfeer

Ozon in atmosfeer KNMI

Snel transport

Ozonsmog wordt in de hele troposfeer gevormd, maar door de hoge concentraties NO2 in de onderste luchtlaag (tussen driehonderd meter en drie kilometer boven het aardoppervlak) vindt de meeste productie daar plaats. Uit het feit dat ozondeeltjes maar kort ‘leven’ kun je afleiden dat het atmosferisch transport over duizenden kilometers een kwestie is van niet meer dan enkele weken. NO2 wordt binnen een dag alweer omgezet tot andere chemische verbindingen. Verstraeten: “In de hogere troposfeer blijft ozon door de lage temperatuur zo’n drie weken aanwezig. Daarna verdwijnt het. Het gaat (foto)chemische reacties aan met andere stoffen of regent uit. Een klein deel verdwijnt naar de stratosfeer. De influx van ozon van de stratosfeer naar de troposfeer is veel groter dan de andere kant op.”

Boven verwachting

Het onderzoek van WUR en KNMI is gebaseerd op waarnemingen van drie instrumenten op de AURA-satelliet, die al sinds 2004 om de aarde draait: TES, OMI en MLS. Van de door OMI sinds 2004 geleverde meetgegevens maakt het KNMI voornamelijk gebruik van de NO2-observaties. TES meet vooral ozondeeltjes, maar deze metingen zijn beperkt tot de periode 2005-2010; daarom hebben de onderzoekers nu gepubliceerd over deze periode. Anders dan TES, dat tot slechts drie kilometer hoogte de ozonkolom meet, kan OMI vrijwel tot aan het aardoppervlak meten. Dat nadeel van TES vangen wetenschappers op met model- en oppervlaktemetingen.

OMI leverde het afgelopen decennium veel gegevens over de chemie van de aardatmosfeer, waaronder zwavelconcentraties en as uit vulkanen (van belang voor de luchtvaart), fijnstof en andere aerosolen en het ‘gat’ in de ozonlaag. “Het is boven verwachting dat dit instrument zo lang meegaat.”

Opvolger van OMI

Naar verwachting wordt volgend jaar de opvolger van OMI, TROPOMI voor een missie van zeven jaar op de Copernicus Sentinel-5 Precursor satelliet gelanceerd. Dit instrument biedt met ongeveer zeven bij zeven vierkante kilometer een nog veel hogere grondresolutie dan OMI, die waarnemingen levert met een resolutie van ongeveer 13 bij 24 vierkante kilometer.

Destijds was OMI een grote verbetering in vergelijking met de in 1995 gelanceerde GOME (op de ERS-2 satelliet van ESA), met een grondresolutie van 40 bij 320 vierkante kilometer. “Door de hoge resolutie kun je er ook vervuiling van steden mee volgen”, vertelt Verstraeten. OMI meet binnen het Ultraviolet-spectrum, terwijl TES in het infrarode-spectrum meet.

Metingen no2 door omi  juli 2015

Metingen van de troposferische NO2-kolom door OMI, juli 2015 (DOMINO). KNMI/NASA op temis.nl

Monitoring van megasteden

“Inmiddels is TES geprogrammeerd voor meetreeksen van bepaalde megasteden en delen van China”, weet Verstraeten. “GOME-2 produceert nog steeds globale gegevens, maar met een lager ruimtelijk detail.”

Belangrijke ontwikkelingen van atmosferische gegevens vinden echter niet alleen plaats op het niveau van het meetinstrumentarium. Ook de analyses en interpretaties zijn belangrijk. “Voor de verwerking van NO2-metingen zijn nu drie producten op de markt,” vertelt Verstraeten, “waarvan DOMINO goed gevalideerd is onder leiding van collega Folkert Boersma van WUR en KNMI.”

Voor verschillende regio’s ontwikkelde het KNMI in samenwerking met de Europese ruimtevaartorganisatie ESA nog andere producten. Bijvoorbeeld speciaal voor het Chinese gebied en voor Oost-Europa. De optimalisatie van de verwerking van de meetgegevens is zo belangrijk omdat de satellietwaarnemingen worden verstoord door reflectie van aerosolen, wolken en het aardoppervlak en de atmosferische gassen zelf.