Je leest:

Satellietinstrumenten meten gat in de ozonlaag

Satellietinstrumenten meten gat in de ozonlaag

Auteur: | 1 september 2000

Als engelbewaarders cirkelen ze om ons heen – milieusatellieten die de toestand van onze atmosfeer continu in de gaten houden. Gome is een instrument aan boord van een milieusatelliet die al vijf jaar rondcirkelt. Hij kijkt naar het gat in de ozonlaag. Zijn opvolger Sciamachy gaat volgend jaar juni aan boord van de Europese milieusatelliet Envisat de ruimte in.

De ozonlaag stelt niet veel voor. Als je al het ozon in de atmosfeer samen zou brengen op de grond, bij normale luchtdruk, heb je een ozonlaagje van drie millimeter dik. Zonder deze drie millimeter ozon is het leven op aarde echter onmogelijk.

Ozon beschermt het leven tegen de schadelijke ultraviolette straling van de zon, die huidkanker en oogaandoeningen veroorzaakt. De hoge energie van de ultraviolette fotonen kan veranderingen in het erfelijk materiaal van levende wezens aanbrengen. In grote mate is dat dodelijk.

Ozongat. Ozonverdeling rond de zuidpool zoals GOME die mat op 1 oktober 1999. De dikte van de ozonlaag meet je in Dobsoneenheden: honderd Dobsoneenheden is 1 mm ozon bij normale druk. KNMI/ESA

Sinds begin jaren 1980 weten we dat de ozonlaag wereldwijd alsmaar dunner wordt. Dat komt door chloorfluorkoolstofverbindingen (cfk’s) en andere door mensen geproduceerde gassen die in de atmosfeer terechtkomen. Vooral boven Antarctica is de verdunning van september tot en met november (als het daar voorjaar is) duidelijk zichtbaar.

Het ozongat boven Antarctica is sinds zijn ontdekking in 1983 jaarlijks gegroeid, tot en met 1992. Daarna bleef het vijf jaar lang min of meer even groot, maar in 1998 was het groter dan ooit tevoren: 27 miljoen vierkante kilometer (tweemaal zo groot als Europa).

Het verdwijnen van het levensbeschermende ozon baart zorgen. Tijdens een internationale ontmoeting van klimaatdeskundigen en regeringsleiders in Montréal in 1987 is afgesproken dat de productie van cfk’s en andere ozonafbrekende gassen moet stoppen of althans sterk moet afnemen. Daarna zal de ozonlaag zich herstellen, zo is de hoop. Het is daarom belangrijk de ozonlaag nauwkeurig in de gaten te houden.

Dat geschiedt onder meer met meetinstrumenten in satellieten, die van boven af op de aardse dampkring kijken. De nieuwste remote-sensing-technieken meten niet alleen nauwkeuriger, maar volgen ook de concentratie van andere gassen die bij ozonafbraak een rol spelen.

Envisat volgend jaar gelanceerd

Op 21 april 1995 lanceerde de Europese ruimtevaartorganisatie ESA vanaf Kourou in Frans-Guyana de ERS-2-satelliet. Aan boord bevindt zich Gome: Global Ozone Monitoring Experiment. Dit is een meetinstrument dat nu al ruim vijf jaar rond de aarde cirkelt. Het is de voorloper van Sciamachy, een veel groter instrument. Sciamachy komt volgend jaar in een baan rond de aarde, aan boord van de nieuwe Europese milieusatelliet Envisat.

Zonsynchrone baan. Gome bevindt zich aan boord van de ERS-2-satelliet (ERS staat voor Earth Remote Sensing Satellite) van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. De ERS-2 bevindt zich in een zonsynchrone baan: de satelliet draait rondjes vrijwel loodrecht op de evenaar, zodanig dat het vlak van de baan waarin de satelliet zich bevindt, een constante hoek met de zon maakt. Het gevolg is dat de satelliet dezelfde hoogtegraad steeds passeert op dezelfde lokale tijd. Van het noorden uit passeert de ERS-2 de evenaar bijvoorbeeld steeds rond half elf ‘s ochtends lokale tijd, terwijl hij van zuid naar noord de evenaar rond half elf ’s avonds passeert. Vanuit de ERS-2 tast het meetinstrument Gome met een spiegel de aarde af. Per rondgang bestrijkt het een strook van 960 kilometer breed. Steeds gedurende anderhalve seconde meet Gome de reflectie van het zonlicht op het stukje waarboven hij zich bevindt. Zo’n stukje heet een grondpixel. (bron: N&T/Otto Vork)

De nieuwste loot aan de stam van ozoninstrumenten waarbij Nederlandse wetenschappers en bedrijven betrokken zijn, heet OMI (Ozone Monitoring Instrument). OMI gaat in 2003 aan boord van de NASA-satelliet Aura naar boven. De een is geavanceerder dan de ander, maar in principe doen Gome, Sciamachy en OMI hetzelfde: ze tasten continu de aardbol af en houden daarmee een scherp oog op de ozonconcentratie in de dampkring.

Gome cirkelt elke honderd minuten rond de aarde, in een baan bijna loodrecht op de evenaar. Het instrument meet voortdurend de reflectie van het zonlicht op het aardoppervlak. Eén keer per dag meet Gome de zon zelf. Niet direct – daarvoor is de zon te fel – maar via een matte spiegel. De verhouding tussen het directe zonlicht en het licht dat door de aarde is weerkaatst, bevat een schat aan informatie. Het weerkaatste licht reist immers tweemaal door de atmosfeer voordat Gome het waarneemt.

De atmosfeer absorbeert een deel van het invallende licht. Welke golflengten (of kleuren) van de zonnestraling de atmosfeer precies absorbeert, hangt af van welke gassen zich daar bevinden. Ozon heeft weer andere absorptie-eigenschappen dan bijvoorbeeld stikstofdioxide. Gome vergelijkt het directe zonlicht met het licht dat via de aarde terugkaatst, en verkrijgt zo informatie over de samenstelling van de dampkring.

Optica van Gome. Het door de aarde gereflecteerde zonlicht wordt door spiegels, bundelsplitsers en vier tralies gesplitst in verschillende golflengtegebieden of kanalen (van nabij-infrarood tot ultraviolet). Achter de kanalen bevinden zich detectoren. Elk van de vier kanalen van Gome heeft als detector een rij van 1024 siliciumdioden, die het spectrum bij 1024 golflengten detecteren. Detectie vindt plaats met een nauwkeurigheid van zo’n 0,3 nm. Sciamachy (waarvan Gome is afgeleid) bevat acht kanalen. (bron: N&T/Otto Vork)

Absorptiespectrum

Elk gas in de atmosfeer heeft een eigen, karakteristiek absorptiespectrum: de moleculen absorberen specifiek heel bepaalde golflengten en verklappen daarmee hun identiteit. De geabsorbeerde golflengten zie je terug als donkere lijnen in het spectrum, dat dan ook het absorptiespectrum heet. Vaak liggen de karakteristieke absorptielijnen in het ultraviolette en het zichtbare deel van het spectrum. Dat geldt voor ozon (O3), maar ook voor gassen als stikstofdioxide (NO2), broomoxide (BrO) en zwaveldioxide (SO2). Sommige van deze gassen breken ozon af en zijn dus belangrijk voor Gome.

Hoe bepaalt Gome nu precies hoeveel ozon aanwezig is? Het principe is eenvoudig: het gas absorbeert welbepaalde golflengten en hoe meer ozon aanwezig is, hoe sterker de absorptie. Door de sterkte van de absorptie van een bekende hoeveelheid ozon in het laboratorium te vergelijken met de absorptie die Gome ziet in het door de aarde gereflecteerde licht, kan Gome achterhalen hoeveel ozon er ter plaatse in de atmosfeer aanwezig is. Metingen in het lab maken deze gegevens kwantitatief.

Uit laboratoriummetingen weten we hoe ‘diep’ een absorptielijn ten gevolge van een bekende hoeveelheid gas is. Uit de diepte van de absorptielijnen zoals Gome die meet voor de hele atmosfeer, leiden we de hoeveelheid gas in de hele atmosfeer af. Deze methode gaat door het leven onder de naam differentiële optische absorptiespectroscopie, handzaam afgekort tot DOAS.

Atmosferische gassen boven Nederland. Gome-meting op 25 juli 1995 boven midden-Nederland. Het spectrum bevat veel informatie, zoals de absorptielijnen van atmosferische gassen. De afnemende reflectiviteit helemaal links (onder 320 nm) is te wijten aan ozon (O3).

Gereflecteerd zonlicht

De grafiek hiernaast toont het spectrum van het gereflecteerde zonlicht boven midden-Nederland zoals gezien door Gome. De absorptie van licht door ozon varieert sterk met de golflengte. Gome maakt met vrucht gebruik van de variërende absorptie om de dikte van de ozonlaag te bepalen. Op 25 juli 1995 was dat 288 dobsoneenheden. De Brewer, een ozonmeetinstrument op het dak van het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI) in De Bilt, mat op dezelfde tijd een waarde van 292 dobsoneenheden. Beide waarden komen goed overeen.

In het spectrum dat Gome meet, zit veel meer informatie dan alleen de dikte van de ozonlaag. De meting waarvan de gegevens in de grafiek staan, heeft betrekking op een wolkenvrij gedeelte van veertig bij tachtig kilometer boven het ‘groene hart’ van Nederland: een gebied met weinig bebouwing en veel groen. Het kennersoog ziet dit groen direct in het spectrum: de hobbel bij 550 nm en vooral de toename in reflectiviteit vanaf 700 nm zijn toe te schrijven aan vegetatie.

Troposfeer en stratosfeer

Hoe weinig het ook is, toch vervult ozon een cruciale rol in de opbouw van de aardatmosfeer. Tien procent van het atmosferische ozon bevindt zich in de troposfeer, de onderste laag van de dampkring. De overige negentig procent vind je in de stratosfeer, de volgende laag. De grens tussen de troposfeer en de stratosfeer heet de tropopauze. Bij de polen bevindt de tropopauze zich op acht kilometer hoogte, bij de evenaar op achttien. Boven de tropopauze stijgt de temperatuur van de lucht weer met de hoogte (in de troposfeer daalt de temperatuur met de hoogte).

De oorzaak van die hogere temperatuur is ozon, of liever: het feit dat ozon ultraviolet zonlicht absorbeert en omzet in warmte. Daardoor is de stratosfeer warmer dan de troposfeer. Aangezien warme lucht opstijgt, dringt lucht uit de troposfeer maar moeizaam door in de stratosfeer.

Ozon ontstaat in de stratosfeer onder invloed van zonlicht. Licht splitst zuurstofmoleculen (O2) in losse zuurstofatomen. Die reageren op hun beurt met andere zuurstofmoleculen tot ozon (O3). Aan de andere kant zorgt zonlicht juist ook voor de afbraak van ozon. In de maanden september tot en met november verdwijnt boven de Zuidpool, als daar de zon weer gaat schijnen, wel zestig procent van de totale hoeveelheid ozon.

Onder invloed van het zonlicht reageert ozon met chloor, dat grotendeels dankzij de mens in de troposfeer terechtkwam. Het meeste chloor is namelijk afkomstig van cfk’s (chloorfluorkoolstofverbindingen), verbindingen die veel zijn gebruikt als drijfgas in spuitbussen en als koelmiddel in koelkasten. Tijdens de lange, koude poolnacht nemen kleine ijsdeeltjes in de stratosfeer chloor op. Daarbij ontstaan de parelmoerwolken of Polar Stratospheric Clouds: uitgestrekte, dunne wolken die pas kunnen bestaan bij zeer lage temperaturen van zo’n –80 °C. Als in het voorjaar de zon gaat schijnen, komt het chloor weer vrij.

Extreme kou

De laatste jaren gaat ook de ozonlaag boven de Noordpool hard achteruit, zij het niet zo drastisch als die boven de Zuidpool. Afbraak van ozon boven de Noordpool geschiedt vooral tijdens extreme kou, zoals in de winters van 1994 tot 1997. Op sommige hoogten was de ozonafbraak vijftig procent, terwijl die boven de Zuidpool wel 99 procent kan bedragen. De Noordpool heeft het geluk dat de continenten eromheen de luchtstromen in de atmosfeer verstoren.

Boven de Zuidpool is de lucht daarentegen opgesloten binnen de zogenaamde vortex, een sterke luchtstroming in oostelijke richting. Daardoor vindt er een geïsoleerde afbraak van ozon plaats zonder dat ozonrijke lucht van middelbare breedten voor nieuw ozon kan zorgen. Als we afdalen van de stratosfeer via de troposfeer naar het aardoppervlak, verandert de rol van ozon. Op leefniveau is ozon schadelijk voor de gezondheid. Door luchtvervuiling (smog) neemt de hoeveelheid ozon in de troposfeer juist toe. Kortom: waar we het nodig hebben, raakt het op. En waar we het kunnen missen als kiespijn, krijgen we er juist teveel van…

Sciamachy: gevecht met licht en schaduw

Het woord komt uit het Grieks en betekent ‘schaduwgevecht’, maar als Engelse afkorting staat Sciamachy voor ‘absorptiespectrometer’ (Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY). Net zoals Gome meet Sciamachy atmosferische gassen, alleen Sciamachy kan meer dan Gome. Sciamachy zal voornamelijk ozon, stikstofoxiden, waterdamp, koolstofdioxide en -monoxide en methaan meten.

Om de hoogte van wolkentoppen te bepalen meet hij zuurstof, en in geval van een vulkaanuitbarsting zwaveldioxide. Het ‘gevecht met licht en schaduw’ voert Sciamachy met een zeer ingewikkeld stelsel van tientallen spiegels, prisma’s en lenzen, dat grotendeels in Nederland is gebouwd. Terwijl Gome slechts 55 kg weegt en een datastroom levert van 43 kilobit per seconde, weegt Sciamachy liefst 215 kg en produceert 400 kilobit per seconde.

Het belangrijkste verschil tussen Gome en Sciamachy is dat de laatste ook informatie verschaft over de verticale verdeling van gassen in de atmosfeer. Sciamachy meet het door de aarde teruggekaatste zonlicht in twee richtingen: recht naar beneden (de nadirmeting) en recht vooruit naar de rand van de atmosfeer (de limbmeting). Gome meet alleen in nadir. De nadirmeting verschaft informatie over de totale hoeveelheid gas; de limbmeting geeft ook informatie over de hoogteverdeling.

Het golflengtegebied van Sciamachy loopt van 240 nm (in het ultraviolet) tot 2380 nm (in het infrarood). Het instrument heeft acht kanalen tot zijn beschikking om het hele golflengtegebied in kaart te brengen (Gome slechts vier). Koeling van de infraroodkanalen tot –120 °C onderdrukt de ruis.

Breder spectrum. Sciamachy meet een veel breder spectrum dan Gome. Daardoor komen meer atmosferische gassen binnen zijn bereik.

Sciamachy kan meer

Wereldwijd houden klimatologen de stand van de ozonlaag nauwkeurig in de gaten. Het ontwerp van Gome, het instrument dat al vijf jaar vliegt, is gebaseerd op dat van Sciamachy. Sciamachy is ontworpen in 1989 maar zal pas volgend jaar worden gelanceerd. Gome kon zo snel de lucht in omdat hij slechts een deel van de mogelijkheden van Sciamachy heeft.

Dat heeft ervoor gezorgd dat Europa al snel zelf ozonmetingen per satelliet kon doen en niet op Sciamachy hoefde te wachten. Dat was bijvoorbeeld in 1995-1996 belangrijk, omdat toen het Amerikaanse instrument Toms stuk ging. Bovendien zijn de Toms-metingen gebaseerd op een oude techniek uit de jaren zeventig – de Europese Gome meet dan ook veel meer dan de Amerikaanse Toms.

De ruwe data van de metingen van Gome, en straks die van Sciamachy, komen binnen in de satellietontvangststations van de ESA, zoals bijvoorbeeld in Kiruna in Zweden. Van daaruit gaan ze naar het dataverwerkingscentrum in Oberpfaffenhofen in Duitsland, dat de data verwerkt tot iets bruikbaars. De ruwe metingen worden level 0 data genoemd.

Een eerste bewerking levert de level 1 data. Dat zijn de spectra van de aarde en de zon. Gome produceert per baan 14 megabyte aan level 1 data, dat is ongeveer 200 megabyte per dag. Hieruit worden weer de level 2 data berekend: dat zijn de uiteindelijke atmosferische grootheden zoals de kolomdichtheden van ozon en NO2. De stap van level 1 naar level 2 is de belangrijkste verwerkingsstap.

De nauwkeurigheid (en dus de kwaliteit) van de gegevens afgeleid uit de Gome-metingen is voor de gebruikers van groot belang. Daarom moeten metingen worden gecontroleerd door ze te vergelijken met gegevens die op een compleet andere manier zijn verkregen. Vanaf de grond vinden bijvoorbeeld ook atmosferische metingen plaats, zoals met de Brewer-spectrometer op het dak van het KNMI-gebouw in De Bilt.

Het testen van de Gome-metingen heeft de afgelopen jaren veel inspanning gevergd. Zoeken naar een verklaring van de verschillen in de data van Gome en bijvoorbeeld de Brewer, hebben tot een beter inzicht in de werking van de instrumenten geleid. Zo konden de onderzoekers na de eerste validatie in 1995-1996 de gegevensverwerking van Gome steeds verbeteren.

De meest recente conclusie is dat de fout in de ozonmetingen van Gome twee tot vijf procent bedraagt. De fout is groter bij lage zonnestand en boven de polen. De meetfout in de NO2-gegevens is vijf tot twintig procent en juist groter boven de tropen. Wolken vormen een belangrijke foutenbron in de metingen van ozon en stikstofdioxide (NO2).

Een andere belangrijke foutenbron is de onbekende hoogteverdeling van de gassen. Er wordt daarom momenteel veel onderzoek verricht om met name de verticale verdeling van ozon uit het spectrum af te leiden.

Envisat. De satelliet Envisat met absorptiespectrometer Sciamachy aan boord wordt volgend jaar in de ruimte gebracht. ESA

Goede voorbereiding

Gome heeft de afgelopen jaren bewezen goed te werken, en levert een schat aan informatie over de verschillende sporegassen die zijn betrokken bij de ozonproblematiek. Het is een goede voorbereiding op de nieuwe satellietspectrometer Sciamachy.

Sciamachy beslaat het golflengtegebied van 240 tot 2380 nm – een veel groter gebied dan dat van Gome. De Nederlandse atmosferische onderzoeksgemeenschap zal met deze metingen de komende jaren aan het front staan van het internationale onderzoek op het gebied van de ozonlaag en de samenstelling van de atmosfeer.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 september 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.