Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen
Prof. dr. P.F. Levelt
Oog voor klimaat en luchtkwaliteit Intreerede
31 oktober 2012
Oog voor klimaat en luchtkwaliteit Intreerede Uitgesproken op 31 oktober 2012 Ter gelegenheid van de aanvaarding van Het ambt van hoogleraar Remote Sensing of the Earth Atmosphere Aan de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen van de Technische Universiteit Delft.
door Prof. dr. P.F. Levelt
1
2
Mijnheer de rector magnificus, leden van het College van Bestuur, collegae hoogleraren, en andere leden van de universitaire gemeenschap, zeer gewaardeerde toehoorders, dames en heren,
Toen ik in 2004 van mijn werk naar huis reed hoorde ik een interview met André Kuipers op de radio. Hij was in het Internationale Spacestation met zijn eerste missie bezig en beschreef wat hij zag uit de Copula. Hij keek naar de aarde en benadrukte de kwetsbaarheid van de dunne aardatmosfeer. Ondanks het feit dat ik die aardatmosfeer elke dag meet met satellietinstrumentatie maakte dat interview een grote indruk op mij. Want hij zag tenslotte met zijn eigen ogen hoe dun en kwetsbaar die atmosfeer is. Degenen die niet in het cortège meeliepen hebben een film gezien die André tijdens zijn tweede missie heeft gemaakt en ook die film is zeer indrukwekkend. Het is voor mij één van de redenen om me in dit vakgebied te begeven. André kijkt met zijn ogen en gebruikt het zonlicht om iets te zien, net als wij dat doen. De satellietinstrumentatie waar ik mee werk gebruikt ook het zonlicht om te kunnen observeren. En dat is de reden waarom de titel van mijn verhaal “Oog voor klimaat en luchtkwaliteit” is. Ik wil in mijn rede de volgende punten aanroeren: Eerst wil ik u vertellen over de atmosfeer en met name de chemische samenstelling van de atmosfeer en het belang daarvan voor het leven op aarde, met name voor de ozonlaag, luchtkwaliteit en klimaatverandering. Dan zal ik u vertellen hoe wij de atmosfeer meten en observeren met onze satellietinstrumentatie. Tenslotte zal ik proberen aan te geven:
3
- wat het belang kan zijn van satellietmetingen voor het onderzoek aan de atmosfeer en dan met name de relatie tussen luchtkwaliteit en klimaat, waar nog vele vragen te beantwoorden zijn - en dat we de satellietinstrumentatie in de toekomst ook kunnen gebruiken voor het verifiëren van ons beleid op luchtkwaliteit en klimaat, in het bijzonder het monitoren van de uitstoot van de gassen, ook wel de emissies genoemd.
Figuren 1a, 1b en 1c
Stoffen die de ozonlaag,
luchtkwaliteit en
klimaat beïnvloeden
Onze Nobelprijswinnaar Paul Crutzen heeft deze periode ‘het Antropoceen’ genoemd. Daarmee verwijst hij naar de invloed van de mens op de aardatmosfeer, in het bijzonder de chemische samenstelling van de atmosfeer, door al onze activiteiten hier op aarde. Wij stoten allerlei stoffen uit via industriële vervuiling en verkeer. Maar ook bij biomassa verbranding, dus het in brand steken van land en bos, worden allerlei stoffen uitgestoten. Het laatste voorbeeld zijn de chloorfluorkoolwaterstoffen, stoffen die heel efficiënt de ozonlaag afbreken en die we inmiddels aan banden hebben gelegd.
4
Nitrogen Oxygen Argon Trace gases: - -
Carbon Dioxide (CO2) Methane (CH4) Ozone (O3) Nitrogen Dioxide (NO2) Sulfur Dioxide (SO2) ....................
Figuur 2. Chemische samenstelling van de droge atmosfeer
Hoe ziet die atmosfeer er nou uit, hoe is de samenstelling daarvan? Hier ziet u de samenstelling van de droge atmosfeer met de verschillende gassen daarin. We zien dat we 78% stikstof hebben, 20% zuurstof, 1% Argon en maar 0,036% van allerlei andere gassen, die we de sporengassen noemen omdat ze zo’n lage concentratie hebben. In die 0,036% zit bijvoorbeeld koolstofdioxide, het bekendste antropogene broeikasgas. Antropogeen verwijst hier naar het feit dat mensen het in de atmosfeer brengen. Andere gassen zijn bijvoorbeeld methaan, het op twee na grootste broeikasgas, stikstofdioxide en zwaveldioxide, beide luchtvervuilende stoffen, en ozon. Deze zitten allemaal in die 0,036% en ondanks het feit dat dat zo weinig is hebben ze een grote invloed op het klimaat, de luchtkwaliteit en ook natuurlijk op de ozonlaag zelf. Naast gassen zijn er in de atmosfeer ook kleine deeltjes. Die deeltjes worden ook wel aërosolen genoemd of fijn stof. In deze rede zal ik ze aërosolen noemen.
Figuur 3 De atmosfeer: fascinerend en uitdagend
De atmosfeer is fascinerend maar ook heel erg uitdagend en dat probeer ik aan te geven met deze overheadsheet. 5
U ziet de complexiteit ervan en ik zal daar heel kort op ingaan. Wij verdelen de atmosfeer in een troposfeer, die loopt ongeveer van 0 tot 15 kilometer, en de stratosfeer daarboven, die loopt ongeveer van die 15 kilometer tot 50 á 60 kilometer. In die stratosfeer bevindt zich de ozonlaag. De ozonlaag is de laag die ons beschermt tegen de harde ultraviolette straling. Hierdoor zijn we bijvoorbeeld niet zo gevoelig voor het krijgen van huidkanker. Deze ozonlaag is essentieel voor het leven op aarde. In de troposfeer spelen allerlei processen een rol en omdat ik het vooral over de troposfeer zal hebben, zal ik hier iets meer over vertellen. We hebben allerlei emissies van bijvoorbeeld megacities, van verkeer en ook natuurlijke emissies van vulkanen. Er is sprake van allerlei vormen van chemie. Er is sprake van transport, ook lange afstandstransport en verticaal transport. Er is uitwisseling met het land, met de oceaan en ook met de stratosfeer. De zon heeft ook een invloed op de chemische processen die in de atmosfeer plaatsvinden en op de dynamica. De stoffen die een rol spelen in die onderste lagen van die atmosfeer zal ik hier kort bespreken omdat die een belangrijke rol in de rede spelen. Hier hebben we opnieuw kooldioxide en methaan, beide broeikasgassen. Maar deze stoffen zijn niet giftig, dit zijn geen luchtvervuilende stoffen. Wel heel sterke broeikasgassen. We hebben luchtvervuilende stoffen als stikstofdioxide, zwaveldioxide en koolmonoxide. En we hebben ozon en aërosolen. Ozon en aërosolen spelen een dubbelrol. Ze zijn allebei luchtvervuilend dus allebei giftig. Ozon is ook een broeikasgas en aërosolen hebben ook invloed op het klimaat maar koelen juist àf omdat ze net als wolken het zonlicht verstrooien en reflecteren. Als we kijken naar klimaatverandering, en dan met name naar de invloed van de mens op die atmosfeer en de rol daarvan in klimaatverandering, dan spelen ozon en aërosolen een belangrijke rol omdat zich hier nog de grootste onzekerheden bevinden. We weten niet precies hoeveel ozon we hebben in de troposfeer en we weten ook niet precies hoeveel aërosolen we hebben. En dat komt onder andere omdat we niet voldoende metingen hebben van deze stoffen. Wat ook 6
een belangrijke rol speelt is dat ozon niet uitgestoten wordt door ons maar alleen gevormd wordt in de atmosfeer. Over de exacte wijze waarop deze chemische processen verlopen zijn ook nog een heel aantal vraagtekens. Voor aërosolen geldt iets vergelijkbaars. Die stoten we natuurlijk ook zelf uit, er zijn bovendien natuurlijke bronnen zoals vulkanen, maar er worden ook heel veel aërosolen gevormd in de atmosfeer en die heten secundaire aërosolen. De stoffen die de secundaire aërosolen vormen, dat zijn nu vooral de eerder genoemde luchtvervuilende stoffen als stikstofdioxide, zwaveldioxide en koolmonoxide. En dan ziet u al meteen dat er een link is, er kan niet anders zijn dan een verband, een relatie tussen luchtkwaliteit en klimaat omdat deze stoffen met elkaar in de chemische reacties reageren. Ik wil nu eerst iets vertellen over de ozonlaag, omdat het een mooi voorbeeld is van een succesvolle beleidsmaatregel die genomen is op basis van bevindingen van grond- en satellietmetingen en de wetenschappelijke interpretatie daarvan. Ik wil het ook graag laten zien omdat de verificatie van het huidige beleid, het zogenaamde Montreal Protocol, voor het overgrote deel gebaseerd is op satellietmetingen.
Figuur 4 Ozongat aan het zuidelijk halfrond voor 12.00 uur UCT op 5 oktober 2012 op basis van OMI waarnemingen (bron: KNMI)
7
U ziet hier een meting van een satellietinstrument waar ik straks nog veel meer over ga vertellen, genaamd OMI, het Ozone Monitoring Instrument, oftewel Ozon Meet Instrument. Hier ziet u het ozongat, zoals dat zich op dit moment vormt boven de Zuidpool. De donkerblauwe en zwarte kleuren geven het ozongat aan. Het filmpje loopt tot 30 oktober, waar u de vorming ziet en ook al weer langzaam de oplossing van dat gat. Daar omheen ziet u gele en groene kleuren en ook rode kleuren. De rode kleuren zijn de hoge ozon concentraties, groen en geel ligt tussen de zwarte en donkerblauwe en rode kleuren in. Toen we in begin van de jaren tachtig ontdekten dat ozon boven de Zuidpool heel snel werd afgebroken door de chloorfluorkoolwaterstoffen en dat ook wereldwijd sprake was van afbraak van de ozonlaag hebben we het Montreal Protocol gevormd. Dat was in 1987. Dat Protocol is zeer succesvol; de chloorfluorkoolwaterstoffen nemen af en dat betekent dat we ook verwachten dat in 2050 á 2070 de ozonlaag zich zal herstellen. Interessant is om te weten dat satellietmetingen dit Montreal Protocol verifiëren door onder andere de metingen van het OMI instrument. Wat belangrijk is, en wat wij ons pas later realiseerden, was dat de chloorfluorkoolwaterstoffen, dus de stoffen die de ozonlaag heel snel afbreken, ook hele belangrijke broeikasgassen zijn, hele sterke broeikasgassen, veel sterker dan kooldioxide. Dat betekent dat het Montreal Protocol dus ook heel belangrijk is voor klimaatverandering want door het Montreal Protocol is de huidige opwarming van het klimaat aanzienlijk minder groot dan het zonder dit Montreal Protocol was geweest(1). Het belangrijkste om hierbij te onthouden is dat we dit niet wisten ten tijde van de afsluiting van het Montreal Protocol, en dat we dus bij toeval een win-win situatie hebben gehad. Dit is belangrijk om je te realiseren in het kader van de onderzoeksgebieden luchtkwaliteit en klimaat, want we weten nu ook dat er veel relaties zijn in de chemische, fysische en dynamische processen die daarin een rol spelen. Het beleid op luchtkwaliteit en het beleid op klimaat zijn op dit moment echter nog gescheiden beleidsvraagstukken. Ik pleit er dan ook voor om deze beleidsvraagstukken voor luchtkwaliteit en klimaat tegelijk te bezien vanwege deze interactie. Daar ga ik u nu iets meer over vertellen. Ik begin met de luchtkwaliteit.
8
Figuur 5a en 5b Lucht in een stad in China op een dag met een goede (links) en slechte (rechts) luchtkwaliteit.
U ziet hier een foto van een stad in China op een schone dag en u ziet u een foto van diezelfde stad op een vuile dag. Dit is geen mist, dit is vervuiling door fijn stof ofwel aërosolen. Nu weten we dat er in China enorme economische groei gaande is en dat er dus ook sprake is van heel veel luchtvervuiling. Dit is natuurlijk niet de situatie in Europa. Echter dit is niet altijd zo geweest. In de jaren vijftig hadden we ook in Londen dat we zo nu en dan de andere kant van de straat niet konden zien door de luchtvervuiling. In de jaren zeventig hebben we de discussie rond de vervuiling door zwaveldioxide gehad en de daaruit volgende zure regen. Europa heeft hier heel effectief maatregelen genomen en dat betekent dat onze luchtkwaliteit aanzienlijk beter is dan 50 á 60 jaar geleden. Echter, het is nog niet zo dat er helemaal geen discussie meer is over luchtvervuiling in Europa.
Figuur 6 Luchtkwaliteit en het effect op gezondheid. Resultaten van het EU CAFE onderzoek
(2)
9
Ik laat u hier een resultaat zien van een programma van de Europese Unie genaamd CAFE, waar ze gekeken hebben naar de statistische relatie tussen vervuiling door aërosolen en de levensverwachting in maanden. Wat u in figuur 6 kunt zien is dat voor de blauwe, lichtblauwe en groene gebieden die statistische levensverwachting in maanden eigenlijk nauwelijks is aangetast. Maar in de oranje, bruine en zeker in de donkerbruine gebieden, zoals waar wij leven in Nederland, hebben we toch te maken met een verkorting van de statistische levensverwachting in de orde van drie jaar door vervuiling met fijnstof. Dus de luchtkwaliteit in Europa is nog steeds iets waar we ons zorgen over kunnen maken. Wat ook in deze studie aangetoond is, is dat de luchtvervuiling in China wel degelijk invloed heeft op de luchtkwaliteit in Europa. Door langeafstandstransport worden toch de zogenaamde achtergrondwaarden van de luchtvervuiling bepaald door onder andere de luchtvervuiling in China. Wat er verder ook ontdekt is in deze studie, is dat klimaatverandering ook invloed heeft op hoeveel luchtvervuilende periodes en zware smogperiodes wij hebben. Er is dus een relatie tussen klimaat en luchtkwaliteit, want als er opwarming is van het klimaat krijgen we meer smogperiodes. Echter, andersom is die relatie er ook. Emissies hebben ook wel degelijk invloed op het klimaat. In 2009 is er een studie gedaan door Shindell gepubliceerd in Science(3). Hij heeft gekeken naar de emissies, dus de stoffen die wij zelf emitteren als mensen en de invloed daarvan op het klimaat. Daar zitten natuurlijk zowel de broeikasgassen in als de luchtvervuilende stoffen. En daaruit werd geconcludeerd dat als je bijvoorbeeld kijkt naar methaan, dat reductie van methaan zal leiden tot een koeling van het klimaat. Het is echter ook goed voor luchtkwaliteit omdat methaan één van de belangrijkste bronnen is voor de vorming van dat troposferisch ozon, het giftige ozon in de onderste kilometers van de atmosfeer. Echter, andere maatregelen die we voor luchtkwaliteit nemen, bijvoorbeeld de reductie van aërosolen, en ook de reductie van stikstofdioxide die aanleiding geeft tot de vorming van aërosolen, is goed voor luchtkwaliteit maar zal vanuit klimaat oogpunt tot opwarming leiden omdat aërosolen het licht verstrooien en dus koelen. Dus de relatie tussen luchtkwaliteit en klimaat is vanuit beleidsperspectief complex en daarbij komt dat precies op de thema’s troposferisch ozon en aërosolen ook wetenschappelijk nog heel veel vragen te beantwoorden zijn.
10
Figuur 7a Luchtkwaliteit en klimaat hebben invloed op elkaar (bron: Shindell et all (3))
Figuur 7b en 7c Hillary Clinton
De realisatie van de relatie tussen luchtkwaliteit en klimaat heeft in februari dit jaar geleid tot de lancering van een nieuwe vorm van coalitie door Hillary Clinton, de “Climate en Clean Air Coalition”. Daar willen ze kijken naar maatregelen die win-win situaties opleveren voor zowel luchtkwaliteit als klimaat. Ook het Ministerie van Infrastructuur en Milieu waar het KNMI bij hoort is serieus naar deze maatregelen aan het kijken.
Figuur 8 Relatie tussen luchtkwaliteit, klimaat en de ozonlaag
11
Samenvattend heb ik u laten zien dat we drie belangrijke thema’s hebben als we kijken naar de chemische samenstelling van de atmosfeer: de ozonlaag, luchtkwaliteit en klimaat. Om die ozonlaag te beschermen, hebben wij de chloorfluorkoolwaterstoffen verminderd. Aangezien dit ook hele sterke broeikasgassen zijn, heeft dat ook een grote invloed op klimaatverandering. Dit heeft er onder andere toe geleid dat het Montreal Protocol onderdeel is geworden van het Kyoto Protocol. Als we kijken naar luchtkwaliteit en klimaat weten we ook dat daar een relatie is, want luchtvervuilende stoffen kunnen zelf broeikasgassen of aërosolen zijn, of aanleiding geven tot de vorming van broeikasgassen of aërosolen. Dus het beleid van luchtkwaliteit en klimaat zal moeten worden gecombineerd. Dit is echter veel complexer omdat de relaties tussen luchtkwaliteit en klimaat nog niet helemaal duidelijk zijn en ook omdat de maatregelen niet altijd eenduidig zijn. De stoffen die onderaan de figuur staan heb ik allemaal met u besproken. Het zijn de zogenaamde emissies, oftewel de stoffen die wij uitstoten, maar dat zijn natuurlijk ook de controleparameters in dit systeem. Dit zijn de stoffen waarvan wij kunnen beslissen of we die laten toe- of afnemen in het belang van deze drie thema’s. Verder is het zo dat wij deze stoffen allemaal kunnen meten met satellietinstrumentatie en daar ga ik het dan nu ook over hebben; wat kunnen we meten vanuit satellieten en hoe doen we dat?
Figuur 9 Overzicht van satellietinstrumenten die de chemische samenstelling van de atmosfeer meten voor de jaren 1995–2030 (bron: KNMI)
U ziet hier een hele reeks aan satellietinstrumenten die de chemische samenstelling van de atmosfeer meten. Dit is de lijst van instrumenten vanuit Europa bezien. Wij zijn begonnen in 1995 met het GOME-1 instrument. In de hele reeks instrumenten tot en met 12
TROPOMI die u in de figuur ziet staan, speelt Nederland een grote rol. Ze zijn namelijk allemaal ontworpen door TNO hier in Delft en ontworpen en gebouwd door TNO en Dutch Space. De wetenschappelijke partners in deze projecten zijn KNMI en SRON en het Nederlandse Space Office (dit is het Nederlands Ruimtevaartagentschap) is het agentschap dat deze instrumentenbouw leidt. Voor TROPOMI is het zo dat we dit instrument samen met ESA bouwen en ook de instrumenten daarna, Sentinel-4 en Sentinel-5, zijn ESA instrumenten. Het is voor ons ontzettend belangrijk dat die reeks metingen wordt voortgezet en wij zijn daarom ook ontzettend blij dat er een positief besluit is gevallen over de ESAinschrijving voor de ESA ministerconferentie die deze maand gehouden wordt. Want dat is voor ons onderzoek, maar ook voor het beleid op luchtkwaliteit en klimaatverandering, van essentieel belang. Ik ga hier alleen vertellen over OMI(4), (5) en TROPOMI(6). Dat doe ik omdat dat de instrumenten zijn waar ik het meeste mee heb gewerkt. Met OMI werk ik nu al vijftien jaar en daar zal ik nu als eerste iets over vertellen.
Figuur 10a en 10b OMI instrument (links, bron: TNO), EOS-Aura satelliet (rechts, bron: NASA)
U ziet hier het instrument bij TNO staan vlak voor aflevering aan NASA in de Verenigde Staten. OMI is op een NASA satelliet gelanceerd genaamd EOSAura, waarin Aura natuurlijk verwijst naar de atmosfeer. In 2004 vond de lancering plaats. De voorste kast in figuur 10a is de optische kast en de achterste kast is de elektronische kast. Die elektronische kast is gebouwd door onze Finse collega’s en de optische kast hier in Nederland zoals ik al eerder zei. Het is dus een Nederlands-Fins instrument op een Amerikaanse satelliet. In de volgende figuur 10b ziet u de gehele satelliet. Er zitten een paar heel grote instrumenten op en die zijn natuurlijk van de Amerikanen. Maar het OMI instrument is klein en staat achteraan. De achterste doos is de optische kast 13
van Nederland. De kleinere doos ervoor de elektronische kast van de Finnen. Aan de linkerkant ziet u nog een kastje staan en die is van de Amerikanen. Die is gebouwd omdat de Amerikaanse satelliet onze Europese elektrische signalen niet begreep en er dus een vertaalslag gemaakt moest worden.
Figuur 11 AURA-OMI team vooraf aan de lancering (v.l.n.r. op de voorste rij): H. Kelder, J. de Vries, H. Forster, P. Levelt, P. Veefkind (bron: KNMI)
Het geheel is gelanceerd in de raket in Figuur 11. Voor lancering hadden wij de eer om er vlakbij te mogen staan. U ziet de Nederlandse delegatie staan. De hele satelliet zit in de punt van de raket. We hebben ook nog een ontwikkelmodel van OMI gebouwd. Dat model is er nog steeds en staat op het podium. Het staat normaal bij TNO in deze stofvrije perspex doos. De doos zit eromheen omdat OMI vol zit met allerlei optica, spiegeltjes, lensjes en andere optische componenten en gevoelige detectoren. Aangezien daar geen stof op mag komen wordt het instrument in een stofvrije perspex doos bewaard. Het model is op werkelijke schaal. De ijzeren kast die u in figuur 10 ziet, is eromheen gebouwd en is een soort beschermingskast, maar het gaat uiteindelijk natuurlijk om de inhoud. Dit is dus de werkelijke grootte van het instrument en OMI is dus ongeveer vier schoenendozen groot. Dan ga ik nog even verder met de foto (figuur 10a) van het instrument. U ziet hier een rood element zitten en dat rode element noemen we de “red-tag items”. Alle “red-tag items” moeten verwijderd worden voor lancering. Als je die niet verwijderd dan heb je een probleem en zeker in dit geval want dit is namelijk de ingangsopening van de optische kast. Hier komt dus het zonlicht naar binnen en als deze “red-tag item” niet verwijderd was, had OMI niets gezien. Ik kan u vertellen dat hij verwijderd is! 14
Wat ook belangrijk is om te zien, is dat de opening zo breed is. Het is niet een gaatje, het is een hele spleet waarbij wij het licht als het ware naar binnen zuigen. Dat was een hele belangrijke nieuwe ontwikkeling die het OMI instrument mogelijk maakte, omdat dit ons toegang gaf tot een hele brede kijkhoek. In figuur 12 ziet u die aangegeven. Het bolletje is de satelliet en die draait van pool-tot-pool om de aarde heen. De satelliet doet ongeveer veertien baantjes per dag. De aarde draait daar weer onderdoor in vierentwintig uur. Door die heel brede kijkhoek zijn wij in staat om de hele aardatmosfeer in één dag te meten. Wat maakt het nu mogelijk om dat te doen?
Figuur 12 Weergave kijkhoek OMI aan boord van de AURA satelliet (bron: KNMI)
Dit betreft een nieuwe ontwikkeling op detector gebied in dit type instrumentatie waar OMI mee begonnen is, namelijk het gebruik van een tweedimensionale detector. Dat zijn zogenaamde CCD (Charge Couple Devices) detectoren die u ook in uw fototoestel gebruikt. Alleen de detectoren in OMI zijn iets gevoeliger en we gebruiken de detector ook op een iets andere manier. We zetten namelijk op de ene as de ruimtelijke informatie uit. U ziet dat in figuur 13 op de grond afgebeeld. We meten in één klap 2600 kilometer. Daarin meten we dan met een hele hoge ruimtelijke resolutie omdat we al die kleine detectorpixeltjes hebben. Bij OMI is dat 13 kilometer bij 24 kilometer recht onder het instrument. Dat is de beste ruimtelijke resolutie die we op dit moment ter wereld hebben voor dit soort instrumentatie. Op de andere as zetten we de golflengte uit en de golflengte verwijst naar de verschillende kleuren in het zonlicht, de zogenaamde regenboogkleuren. Dat zijn dezelfde kleuren licht die u bijvoorbeeld ziet als u een prisma in het licht zet. 15
Figuur 13 Meetprincipe TROPOMI (bron: Pepijn Veefkind, KNMI)
Wat meten we dan precies op die andere as? In feite kijken we naar het zonlicht, maar we kijken naar het zonlicht dat verstrooid wordt aan en geabsorbeerd wordt door de aardatmosfeer. We kijken met ons instrument recht naar beneden. De verstrooiing vindt plaats via wolken en aërosolen. Absorptie vindt plaats via de sporengassen waarin wij geïnteresseerd zijn. Bijvoorbeeld ozon en stikstofdioxide. In figuur 14 ziet u dan wat er gebeurt met een dergelijk zonnespectrum. De lichtblauwe curve is het zonnespectrum: op de horizontale as staan de kleuren van de regenboog, de golflengte genoemd en op de verticale as de intensiteit van het licht. Als we bekijken wat het instrument ziet, is dat die donkerblauwe curve. Die curve is minder hoog vanwege de verstrooiing en de absorptie en hier en daar ziet u ook hele diepe dips ontstaan. Dat is de specifieke absorptie van bijvoorbeeld ozon, stikstofdioxide of zuurstof of andere sporengassen die we zouden willen meten. Hoe dieper die dip is, hoe meer absorptie er plaats vindt en dus hoe meer ozon of stikstofdioxide er is. Dat is in een notendop hoe wij de informatie uit deze spectra halen. In werkelijkheid is dat natuurlijk veel complexer omdat we rekening moeten houden met hoe dat licht precies door de atmosfeer gaat, hoe het verstrooid en geabsorbeerd wordt. Dat is een vrij complexe, of eigenlijk een erg complexe berekening. In feite is het onze “core business” om dit zo goed mogelijk en zo nauwkeurig mogelijk te doen. Als we een wolk in ons blikveld hebben kan het instrument daar niet doorheen kijken. Net zoals u niet door een wolk heen kunt kijken, kan dit instrument dat ook niet want we maken gebruik van hetzelfde golflengtegebied. Dat betekent dat het vooral in het geval van aanwezigheid van wolken heel belangrijk is 16
om hele kleine grondpixels te hebben. Dat is één van de redenen waarom de ontwikkeling van deze twee dimensionale detector zo belangrijk was, omdat het ons de mogelijkheid geeft om als het ware “tussen de wolken door” te kijken en toch die onderste kilometers van de atmosfeer, waar de luchtvervuiling en de broeikasgassen zitten, te meten.
Figuur 14 Schematische weergave van passieve aardobservatie (bron: Bas Mijling, KNMI)
In figuur 15 ziet u een resultaat van metingen door het instrument. U heeft in het begin van de rede al een resultaat gezien namelijk de ozonmetingen in het geval van het ozongat op de Zuidpool (zie figuur 4). Dit is een resultaat op het gebied van luchtvervuiling en luchtkwaliteit. U ziet hier stikstofdioxide, wereldwijd gemeten door dit instrument. De rode vlekken geven hoge concentraties van stikstofdioxide in de onderste drie kilometer van de atmosfeer aan. In de figuur staan dus kolommetingen. Een kolom betekent dat alle stikstofdioxide die zich loodrecht boven u bevindt bij elkaar wordt opgeteld tot 1 kolom. Dat is in het geval van stikstofdioxide een kolom van drie kilometer. Daar ziet u hier de resultaten van. De blauwe kleuren geven aan dat er eigenlijk geen stikstofdioxide is, het is daar dus schoon. De gele en groene kleuren zijn alle waardes die tussen rood en blauw inliggen. We zien dus dat stikstofdioxide geproduceerd wordt waar veel mensen wonen, dat is een logisch gevolg van het verkeer en industriële activiteiten in die zwaar bevolkte gebieden. We zien ook dat in Afrika en Zuid-Amerika er veel stikstofdioxide geproduceerd 17
wordt, dat heeft echter niet te maken met een hoge bevolkingsdichtheid, maar wordt veroorzaakt door biomassa verbranding van grote landoppervlakken ten behoeve van de landbouw.
Figuur 15. Afbeeldingen van de wereldwijde luchtvervuiling door stikstofdioxide gemeten door OMI (bron: KNMI)
Nu kunnen we, door de mooie hoge ruimtelijke resolutie, ook in detail kijken. Daarvan ziet u in figuur 15 een kaart van West-Europa. U ziet Nederland en Duitsland liggen: het is altijd goed om te zien dat onze Oosterburen veel vuiler zijn dan wij! Als we inzoomen op Nederland, en daarbij passen we de kleurschaal aan, dan ziet u dat Rotterdam veel vuiler is dan Amsterdam. Als u naar Parijs kijkt, ziet u dat het circulair gebouwd is. We kunnen niet alleen boven land goed meten maar ook boven zeeën en oceanen. Dat is in figuur 15 goed te zien: de strepen die u ziet lopen is de vervuiling veroorzaakt door intensief bevaren scheepvaart routes. Ook dat kunnen we dus meten en zelfs kwantificeren met onze satellietmetingen. Wat is nu het belang van die satellietmetingen? Eén van de belangrijkste bijdragen van satellietmetingen aan het onderzoek van de atmosfeer is dat we globaal meten, de hele wereld kunnen meten. Dat is 18
natuurlijk belangrijk voor klimaat, want we willen weten waar de broeikasgassen zitten, en waar de aërosolen zitten. Het is ook belangrijk voor de luchtkwaliteit, want de luchtkwaliteit in Nederland wordt niet alleen bepaald door onze eigen vervuiling maar ook door vervuiling veroorzaakt door de buurlanden. En, zoals ik al eerder aangaf, zelfs door vervuiling in China. De tweede belangrijke bijdrage van satellietmetingen is dat wij alles kunnen meten met één instrument. Als u kijkt naar de grondmetingen die wij hebben, dan is daar het probleem dat er verschillende meettechnieken zijn en er ook sprake kan zijn van een andere interpretatie van hetzelfde type meting. Het is daarom niet altijd even makkelijk om die metingen onderling te vergelijken, dan wel überhaupt aan die metingen te komen. Bovendien hebben we niet overal ter wereld hetzelfde aantal grondmetingen. De grondmeetnetwerken zijn met name aanwezig in het noordelijk halfrond. Met een satellietinstrument kun je met één instrument alles vergelijken. Dus de metingen boven Europa kun je heel goed vergelijken met de metingen boven China. Met de hoge ruimtelijke resolutie kunnen we nu bovendien ook nog een nieuwe stap maken en dat is het bepalen van de emissiebronnen uit de satellietmetingen. Dat we precies weten wat we emitteren is erg belangrijk voor het luchtkwaliteiten klimaatonderzoek. Nu moet je daar nog wel een extra rekenstap voor doen en dat wil ik uitleggen aan de hand van het kaartje in figuur 16. Wat we meten is dus de hoeveelheid stikstofdioxide in de atmosfeer. Maar wat we willen weten is: wat is de hoeveelheid uitgestoten stikstofdioxide door de bron? Dan moet u denken aan een elektriciteitscentrale waar een hele pluim uitkomt en in die pluim zit stikstofdioxide. Die pluim wordt verplaatst door de wind en er vindt ook nog chemie plaats in die pluim. Dus wat wij dan eigenlijk moeten doen is als het ware terugrekenen in de tijd, de pluim weer in die pijp terug stoppen en dan weten we wat de emissiebron was. Wij hebben de laatste tijd innovatieve technieken ontwikkeld op het KNMI om de grootte van de emissiebronnen op basis van satellietmetingen te kunnen bepalen. Dit is een belangrijke ontwikkeling, want hoe doen we het eigenlijk nu, die emissiekaarten maken? Emissiekaarten worden op dit moment gemaakt door informatie die we bijvoorbeeld verkrijgen van de overheid over hoeveel industriële activiteit of verkeer er is, of over hoeveel koeien er zijn in verband met de methaanproductie. Daaruit kunnen we dan berekenen hoe groot de emissie is. Ook worden er wel grondmetingen gebruikt. Maar satellietmetingen worden op dit moment nog niet gebruikt voor het bepalen van de emissies en ik denk dat dat in de toekomst wel kan. Dat is belangrijk omdat de informatie 19
van de overheid niet altijd up-to-date is en ook niet altijd snel toegankelijk. Datzelfde geldt voor de grondmetingen. Bovendien heb je natuurlijk geen wereldwijd beeld dat op basis van satellietmetingen wel te verkrijgen is. Ook meet de satelliet de gehele bron in één keer, iets wat met grondmetingen vrijwel niet mogelijk is. Ik wil dat illustreren aan de hand van een voorbeeld boven China.
Figuur 16 Emissiebronnen in China voor 2006 en 2008 (bron: Bas Mijling, KNMI)
U ziet rechts in figuur 16 opnieuw de meting van de stikstofdioxide boven China met die hele hoge ruimtelijke resolutie. Links ziet u de meest recente kaart die wij kunnen verkrijgen voor de emissies boven China gebaseerd op vliegtuigcampagnes die daar hebben plaatsgevonden. Dit zijn dus de emissiebronnen. Deze kaart is uit 2006. Als we nu onze berekening doen op de satellietmetingen van 2008 en we rekenen terug in de tijd naar de bronnen dan ziet u de middelste kaart verschijnen. U ziet dat die echt anders is dan de linker kaart. In bepaalde gebieden zijn de emissies minder geworden, dat komt omdat daar nu alles eigenlijk al volgebouwd is. In bepaalde gebieden zijn er veel meer emissies, zoals bijvoorbeeld in de provincie Shaanxi in China zien we veel meer emissies van stikstofdioxide. Ook langs deze rivier, de Yangtze River, zien we toegenomen industriële activiteit. Tegelijkertijd zien we dat in Zuid-Korea en Japan de emissies minder zijn geworden waarschijnlijk vanwege de economische recessie. Wat er ook eerst in deze kaart uitsprong was de hoofdstad van NoordKorea en in feite zien we dat daar nu nauwelijks stikstofdioxide emissies zijn. 20
Dit soort kaarten kunnen we denk ik gebruiken voor het verbeteren van onze emissiekaarten en dat is één van de onderwerpen waar ik in de toekomst meer aan hoop te gaan doen.
Figuur 17 Golflengtegebieden OMI en TROPOMI (bron: KNMI)
Wat gaan we nog meer in de toekomst doen? We zijn al een nieuw instrument aan het bouwen, dat is TROPOMI. TROPOMI bouwen we in nauwe samenwerking met ESA en we hebben daar een paar extra mogelijkheden in opgenomen in vergelijking met OMI (zie figuur 17). TROPOMI meet hetzelfde golflengtegebied als OMI, maar TROPOMI meet ook extra kleuren om beter voor wolken te kunnen corrigeren. Als we namelijk een klein beetje wolken hebben in een pixel dan kunnen we daar wel voor corrigeren en kunnen we toch die meting gebruiken. Verder hebben we een kanaal toegevoegd voor methaan en koolmonoxide en dat is natuurlijk belangrijk voor vraagstukken in verband met luchtkwaliteit en klimaat. De belangrijkste verbetering van TROPOMI is eigenlijk opnieuw de ruimtelijke resolutie. 21
Figuur 18 Ruimtelijke resolutie van OMI en TROPOMI (bron: Pepijn Veefkind, KNMI)
We gaan naar 7 x 7 kilometer toe. In figuur 18 ziet u wat dat eigenlijk betekent voor emissiebronnen, die ruimtelijke resolutie. U ziet hier Mexico City met een aantal voorsteden en een industrieel complex. Dit is gemeten met OMI in de zogenaamde “zoom mode”, dat is bijna 10 x 10 kilometer. Die speciale mode hebben we eens in de maand aanstaan, maar dan kunnen we niet de hele wereld meten in één dag. Als je die meting herberekent naar de gewone pixelgrootte van OMI, dat is 24 x 13 kilometer, dan ziet u dat we al wat informatie verliezen van die aparte emissiebronnen. Als we dan bijvoorbeeld herberekenen naar de pixelgrootte van een ander instrument dat op dit moment rondvliegt, namelijk 80 x 40 kilometer, dan ziet u dat we heel veel informatie verliezen. Dus willen wij de emissiebronnen apart kunnen meten dan is de ruimtelijke resolutie ontzettend belangrijk. Ook is de ruimtelijke resolutie erg belangrijk om “tussen de wolken door” (die in deze figuur met wit zijn aangegeven) te kunnen kijken. In dezelfde figuur ziet u een illustratie van wat dat zou betekenen voor TROPOMI boven Nederland. Het eerste instrument, GOME-1, staat niet op dit plaatje want die had pixelgroottes van 320 x 40 kilometer, dan meet je heel Nederland in één keer. Dat was dus 25 jaar geleden. In die 25 jaar zijn we nu via allerlei instrumenten bij OMI aangeland van 13 x 24 kilometer en gaan we naar TROPOMI van 7 x 7 kilometer. Dat zou betekenen dat we zelfs boven Nederland emissiebronnen kunnen gaan onderscheiden.
22
Ik had het over de toekomst en dat betekent dat ik nu aangekomen ben bij wat ik in de toekomst in Delft zou willen doen; In Delft is binnen de faculteit CiTG een nieuwe afdeling geformeerd. Dat is de afdeling “Geoscience and Remote Sensing” (GRS) geleid door Prof. Ramon Hanssen. Er is ook een klimaatcentrum gestart door Delft en dat klimaatcentrum wordt geleid door Prof. Herman Russchenberg. Herman Russchenberg maakt ook deel uit van de nieuwe afdeling GRS. Die afdeling heeft heel veel hoogleraren die met satellietmetingen werken of die van de grond meten aan de atmosfeer, maar dan wel “van afstand” net als satellietmetingen. Dat “van afstand meten” noemen we “Remote Sensing”. We meten aan land, oceanen en atmosfeer. Ik denk dat het een heel goed initiatief is om deze hoogleraren bij elkaar te zetten en ook alle mensen die samen met hen werken; de promovendi, postdocs, UD’s en UHD’s. Ik vind het ontzettend leuk om te werken binnen een afdeling waar zowel satellietmetingen als klimaat de centrale thema’s vormen. Ik wil dan ook in de toekomst OMI en TROPOMI verder exploiteren. Onder andere voor het gebruik van deze emissiekaarten maar ook om verder te kijken naar die complexe relatie tussen luchtkwaliteit en klimaat. Eén van de dingen die we daarvoor moeten doen is de sporengassen en aërosolen tegelijk meten, op dezelfde tijd en voor dezelfde plaats. Dat zijn ontwikkelingen waar ik graag aan bijdraag en waar we ook al metingen voor hebben. We kunnen dus nu al onderzoek daaraan doen, zodat we bijvoorbeeld de vorming van aërosolen, en met name secundaire aërosolen, beter kunnen begrijpen. Verder wil ik ook nadenken over nieuwe satellietinstrumentatie samen met onze industriële partners en andere wetenschappelijke instituten. We zijn geïnteresseerd in het miniaturiseren van de meetinstrumenten, het nog kleiner maken dan OMI. Dat is belangrijk omdat gewicht in de ruimtevaart een grote rol speelt. Hoe kleiner het instrument hoe goedkoper. En we willen graag heel veel sporengassen en aërosolen tegelijk meten, dus we willen graag dat die instrumenten kleiner worden, want dan kunnen we er meer tegelijk lanceren en dus meer sporengassen en aërosolen tegelijk meten. Ook als de instrumentatie in de toekomst gebruikt zal worden voor de controle van het beleid van luchtkwaliteit en klimaat is het belangrijk om simpelere en kleinere satellietinstrumenten te hebben, zodat het rendabel wordt om die daarvoor te gebruiken.
23
Dit alles wil ik heel graag doen samen met mijn afdeling op het KNMI. Wij doen op al deze onderwerpen al heel veel werk. De resultaten die u heeft gezien zijn voornamelijk gebaseerd op het werk van het KNMI op dit moment. Begin november 2012 zijn op de TU Delft twee mensen voor mij aan het werk gegaan en hoop ik ook daar verder te kunnen gaan met de bovenstaande onderwerpen. Daarnaast is college geven en het overdragen van onze kennis aan studenten essentieel. De nieuwe afdeling heeft een nieuwe Master studie opgezet op het gebied van remote sensing aan het aardsysteem. Aan die Master studie gaan ikzelf en mijn medewerkers ook bijdragen in de vorm van hooren werkcolleges.
Figuur 19a en 19b (bron: KNMI)
Dan kom ik bij mijn laatste figuur en u ziet hier de hoofddirecteur van het KNMI, Frits Brouwer, samen met onze prins Willem Alexander die ongeveer een maand geleden op bezoek was op het KNMI voor een watermanagement dag. U ziet dat Frits Brouwer onze prins uitlegt hoe onze stikstofdioxide kaart in elkaar zit. Als u nou net zo intelligent bent als onze prins, kunt u na deze rede ook feilloos de scheepvaartemissies aanwijzen.
24
Dan heb ik nog een dankwoord; Deze hoogleraar positie heb ik aan velen te danken maar het zal helaas onmogelijk zijn iedereen bij name te noemen: Ik wil Wim Hogervorst en Wim Ubachs bedanken voor hun begeleiding tijdens mijn promotieonderzoek aan de Vrije Universiteit Amsterdam en Kjeld Eikema voor het samen bouwen van de XUV (extreme ultraviolet) opstelling. Na mijn promotieonderzoek ben ik bij het KNMI gaan werken. Voor mijn carrière in dit vakgebied wil ik mijn toenmalige baas Hennie Kelder in het bijzonder bedanken; zijn gestelde vertrouwen in mij en de kansen die hij mij geboden heeft zijn van onschatbare waarde gebleken. Ik wil mijn collega’s op het KNMI bedanken voor de fijne samenwerking, de mensen in mijn afdeling spelen daarin een cruciale rol. Hun enthousiasme en passie voor het vak is mijn dagelijkse energiebron en hun bereidwilligheid om hard te werken en het onderste uit de kan te halen is ons succes. In het bijzonder wil ik noemen Piet Stammes en Pepijn Veefkind. De laatste ook voor zijn bijdrage aan OMI en TROPOMI. Bert van de Oord wil ik bedanken voor zijn bijdrage aan OMI. Frits Brouwer en Hein Haak voor de mogelijkheid deze hoogleraar positie te kunnen vervullen naast mijn afdelingshoofdschap op het KNMI. My career would not have been what it is today without my international colleagues with whom I work on a daily basis. I would like to thank PK Bhartia and Ernest Hilsenrath for an extremely fruitful cooperation in the OMI and Aura project with NASA GSFC (Goddard Space Flight Centre) which, after fourteen years, I’m still privileged to enjoy. I also would like to mention Guy Brasseur for the opportunities he gave me by working with him and others at NCAR ACD (Atmospheric Chemistry Division) in Boulder Colorado and his continued interest in my career. Het College van Bestuur en de Rector en voormalig Rector van de TUD wil ik bedanken voor het door hen getoonde vertrouwen in mij. Ik wil Ben Droste bedanken voor de initiatie van deze positie. Ook wil ik Gert Jan van Heijst bedanken voor het vertrouwen dat hij in mij gesteld heeft op de TUE.
25
Ramon Hanssen en Herman Russchenberg voor hun gastvrije ontvangst en inspirerende omgeving hier in de nieuwe Remote Sensing afdeling van CiTG. Naast het werk zijn er natuurlijk vele anderen die mij bewust en onbewust hebben gesteund. Samen met mijn fietsvriendinnen en mijn triatlon vrienden beleef ik de nodige sportieve inspanningen. Mijn vriendin Petra wil ik in het bijzonder bedanken voor haar steun en humorvolle kijk op alles wat we meemaken. Ik wil hier ook mijn orthopeed Koen de Smet bedanken voor het feit dat hij mij weer met twee benen op de grond heeft gezet. Zonder die succesvolle ingreep had ik hier nu niet gestaan. Mijn tante Anneke, oom Pim en oom Jan wil ik bedanken voor hun altijd aanwezige interesse in mijn loopbaan en hun advies. Mijn ouders voor hun onvoorwaardelijke steun, inspiratie en adviezen. Goed voorbeeld doet goed volgen zeg ik altijd maar. Hun voorbeeldfunctie is voor mij een belangrijke drijfveer geweest. Ik ben heel erg blij dat ze hier allebei aanwezig kunnen zijn. Mijn broers Willem en David bedank ik voor hun niet aflatende interesse in hun zus’ carrière en sportieve inspanningen. En, last but not least, mijn steun en toeverlaat Wim en mijn schatten van kinderen Frank en Marieke. Wim, jij zorgt voor de balans, bedankt voor het accepteren, onvoorwaardelijk steunen en kritisch beoordelen van een heel drukke dame. Ik heb gezegd.
26
27
Referenties 1. Velders, G.J.M., S.O. Andersen, J.S. Daniel, D.W. Fahey and M. McFarland, The importance of the Montreal Protocol in protecting climate, PNAS, vol. 104, no. 12 (4814-4819), March 20, 2007 2. EU CAFE Scenario Analyse Report nr. 2, Amann et al., 2004 3. Drew, S., G. Faluvegi, D.M. Koch, G.A. Schmidt, N. Unger, S.E. Bauer, Improved attribution of climate forcing to emissions , Science 326, 716, DOI: 10.1126/science. 1174760, 2009 4. Levelt, P.F., E. Hilsenrath, G.W. Leppelmeier, G.H.J. van den Oord, P.K. Bhartia, J. Taminnen, J.F. de Haan, and J.P. Veefkind, Science Objectives of the Ozone Monitoring Instrument, IEEE Trans. Geo. Rem. Sens., Special Issue on the EOS-Aura mission, 44 (5), 1093-1101, May 2006. 5. Levelt, P.F., G.H.J. van den Oord, M.R. Dobber, A. Malkki, H. Visser, J. de Vries, P. Stammes, J. Lundell and H. Saari, The Ozone Monitoring Instrument,,IEEE Trans. Geo. Rem. Sens., Special Issue on the EOS-Aura mission, 44 (5), 1199-1208, May 2006. 6. Veefkind, J.P., Aben, I., McMullan, K., Förster, H., De Vries, J., Otter, G., Claas, J., Eskes, H.J., De Haan, J.F., Kleipool, Q., Van Weele, M., Hasekamp, O., Hoogeveen, R., Landgraf, J., Snel, R., Tol, P., Ingmann, P., voors, R., Kruizinga, B., Vink, R., Visser, H., Levelt, P.F., 2012, TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor: A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for climate, air quality and ozone layer applications, Remote Sensing of the Environment 120, 70-83, doi: 10.1016/j.rse.2011.09.027, 2012.
28
Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen Stevinweg 1 2628 CN Delft Tel: +31 (0)15 27 83546 www.tudelft.nl
