LUCHT IN UITvoerINg
13
MiNDER stikstOfDiOxiDE BOvEN EuROpa DOOR MiliEuBElEiD EN ECONOMisCHE RECEssiE OMi-satElliEtiNstRuMENt MEEt stERkstE NO2-REDuCtiE iN 2009 Begin 2012 verschenen kort na elkaar twee artikelen die afnemende stikstofdioxide (NO2)concentraties boven Europa rapporteerden zoals gemeten vanuit de ruimte met satellietinstrumenten. Het eerste artikel, geschreven door Castellanos en Boersma1, en gepubliceerd in Scientific Reports, laat zien dat de concentratie stikstofdioxide in de lucht boven Europa in 2010 op sommige locaties tot 50% gedaald is ten opzichte van 2005, met boven Nederland afnames tot 25%. Het tweede artikel, van de hand van De Ruyter de Wildt en anderen2 (in Geophysical Research Letters), laat juist een aanvankelijke stijging zien in NO2-concentraties boven de drukst bevaren scheepvaartroutes, gevolgd door een afname in 2009. Beide artikelen leggen een verband tussen de gemeten snelle afname van NO2 in 2009 en de wereldwijde economische recessie van dat jaar. Maar wat zeggen deze resultaten nu eigenlijk over veranderingen in de luchtkwaliteit nabij de grond?
K. FoLKerT BoerSma, geerT C.m. vINKeN, PaTrICIa CaSTeLLaNoS, marTIJN De rUyTer De WILDT & HeNK J. eSKeS*
|
Satellietmetingen van concentraties NO2 Het met satellieten bepalen van de NO2-concentraties in de lucht is een relatief jonge techniek. Pas sinds de lancering van het Global Ozone
Monitoring Experiment (GOME) in 1995 is het mogelijk om vanuit de ruimte NO2 nabij de grond te meten.3 Omdat er belangrijke verschillen bestaan tussen satellietmetingen en meer gangbare grondmetingen van JUNI 2012 NUmmer 3 TIJDSCHrIFT LUCHT
14
LUCHT IN UITvoerINg
kENNElijk is ééN ECONOMisCHE RECEssiE vaN ONgEvEER EEN jaaR NEt zO EffECtiEf als viER jaaR MiliEuBElEiD iN HEt REDuCEREN vaN NO2luCHtvERvuiliNg
Tabel 1: verschillen tussen metingen van luchtvervuiling in de onderste luchtlagen door grondstations (rIvm) en het satellietinstrument omI (KNmI).
luchtvervuilende stoffen, gaan we hier dieper in op de meetmethode en op de representativiteit van de satellietmetingen. Figuur 1 en tabel 1 illustreren de belangrijkste verschillen tussen de NO2-grondmetingen zoals die bijvoorbeeld door het RIVM binnen het Landelijk Meetnet Luchtkwaliteit (LML) gedaan worden en de NO2satellietmetingen met het Ozone Monitoring Instrument (OMI) van het KNMI. Het Nederlands/Finse OMIinstrument meet sinds 2004 als eerste in de wereld nauwkeurig en binnen een dag de wereldwijde verdeling van NO2 en andere aspecten van de samenstelling van de atmosfeer. Zonder twijfel het belangrijkste is het verschil in representativiteit tussen de meetmethoden. Grondstations meten de concentratie stikstofdioxide op leefhoogte (2-4 m), en geven daarmee een indicatie voor de blootstelling van de bevolking aan een vervuilende stof, althans ter plaatse. De satelliet meet de NO2 die zich tussen het aardoppervlak en de bovenkant van de atmosfeer bevindt – er is meer tussen hemel en aarde. Omdat luchtvervuiling zich veelal in de onderste 2 km van de atmosfeer bevindt, meet de satelliet dus voornamelijk de verticaal geïntegreerde concentratie NO2, oftewel de kolomdichtheid (in moleculen/cm2), in de onderste 2 km.
Methode Eenheid Voetafdruk Sampling
Grondmeting (RIVM) Concentratie aan de grond (μg/m3) 0.1 × 0.1 – 10 × 10 km2 Lokaal, elk uur, alle condities
Beschikbaarheid Techniek
Vanaf 1970 (In situ) chemiluminescentie
Stoffen
NO2, NO, O3, PM10
Dominante meetprobleem Foutenbudget (individuele meting)
Interferentie HNO3, PAN, …
Satellietmeting (OMI) Troposferische kolom (0-2 km) (molec./cm2) 24 × 13 – 135 × 25 km2 Mondiaal, 13:30 uur lokale tijd, alleen wolkenvrije condities Vanaf 2004 Absorptiespectroscopie (Remote sensing) NO2, HCHO, SO2, O3, aerosol optische diepte Air mass factor
±10%
±30%
Maar zelfs als satellietmetingen uitgedrukt worden in NO2-concentraties aan de grond, dan nog beslaat een OMIpixel een oppervlak van ten minste 24 × 13 km2, zodat de satellietmetingen alleen ruimtelijk gemiddelde concentraties kunnen weergeven. Het zal met OMI niet mogelijk zijn om concentratieverschillen binnen een stad te detecteren. Wat ‘ziet’ de satelliet dan wel? Dat wordt geïllustreerd door figuur 2 met daarin het gemiddelde van vijf jaar (2005-2009) troposferische NO2metingen door OMI boven Europa. De kaart illustreert dat OMI-metingen het hele continent bedekken en regionale verschillen in NO2-concentraties detecteren. Opvallend zijn de ‘hot spots’ in
Figuur 1: Schematische weergave van grondmetingen (rIvm, LmL) en satellietmetingen (KNmI, omI) van stikstofdioxide in de lage atmosfeer en hun typische ‘voetafdrukken’. De meetwaarde van het grondinstrument is representatief voor de concentratie (mengverhouding – ppbv, of massaconcentratie – μg/m3) binnen het volume aangegeven door de lichtblauwe stippellijn, en zal sterk afhangen van waar het instrument zich bevindt. De omI-kolommeting is representatief voor de verticaal geïntegreerde No2-concentratie over een gebied van 25 × 15 km2 (breedte × lengte); het door de donkerblauwe stippellijn aangegeven volume.
TIJDSCHrIFT LUCHT NUmmer 3 JUNI 2012
NO2 boven Londen, de Randstad, het Roergebied, de Povlakte en Moskou. Maar ook afgelegen bronnen, zoals de kolengestookte energiecentrale Compostilla II in Noordwest-Spanje zijn duidelijk zichtbaar op de kaart, net als
Hoe verhouden concentraties zich tot verticale kolommen? Satellietkolomdichtheden zijn niet direct vergelijkbaar met de grondconcentraties, maar door eenvoudige aannames te doen over grenslaagdikte en over de verticale verdeling van de concentraties in de grenslaag, zijn grondconcentraties en kolommen wel in elkaar uit te drukken. Zo geldt: 1 μg/m3 ≈ 0,5 ppbv NO2 aan de grond. Wanneer we deze concentratie integreren over de diepte van de grenslaag, rekening houdend met de afname in luchtdichtheid, krijgen we een kolomwaarde van 1,25 ×1015 moleculen/cm2 (uitgaande van een 1 km diepe grenslaag en een NO2mengverhouding die niet verandert met de hoogte). Zo zijn de satellietgegevens toch te relateren aan concentraties aan de grond, en bruikbaar voor bijvoorbeeld trendanalyses.
LUCHT IN UITvoerINg
15
DE kRaCHt vaN DE OMi-WaaRNEMiNgEN zit HEM iN DE vOllEDigE gEOgRafisCHE DEkkiNg, EN iN DE ROBuustE MEEtMEtHODE DiE gEEN ONDERsCHEiD Maakt tussEN vERsCHillENDE laNDEN Of REgiO’s
de scheepvaartroute tussen Cairo en het Kanaal, die met name in de Middellandse Zee en rondom het Iberisch schiereiland als een spoor van luchtvervuiling te zien is. OMI meet dus zowel de ‘hot spots’ als de achtergrondluchtvervuiling. De meetfout van een afzonderlijke satellietmeting wordt geschat op 20-30%. De techniek van absorptiespectroscopie is erg precies om de NO2absorptie langs het fotonpad van de zon, via de atmosfeer, naar de satelliet nauwkeurig (precisie beter dan 5%) te bepalen. Maar bij het omzetten van dit fotonpad naar de verticaal geïntegreerde kolom, moeten aannames gedaan worden over de toestand van de atmosfeer. Deze aannames – onder andere over het albedo van het aardoppervlak, en over de verticale verdeling van NO2 – kunnen leiden tot meetfouten van 20-30%. Dit wordt bevestigd door vergelijkingen tussen de satellietkolommen en onafhankelijke NO2-metingen gedaan vanaf vliegtuigen.4 Door het
gemiddelde van veel satellietmetingen te gebruiken in onze analyses, kunnen we het niet-systematische deel van deze meetfout tot verwaarloosbare proporties terugbrengen, maar dan nog zal een zekere systematische fout overblijven. Op grond van een gedetailleerde studie5 naar foutenvoortplanting in onze meetmethode schatten we dat de resterende fout ongeveer 10-20% bedraagt. |
Minder NO2 door milieumaatregelen en recessie De kracht van de OMI-waarnemingen zit hem in de volledige geografische dekking, en in de robuuste meetmethode die geen onderscheid maakt tussen verschillende landen of regio’s. Daarom zijn OMI-metingen bij uitstek geschikt om op onafhankelijke wijze toezicht te houden op trends in luchtvervuiling boven heel Europa. Daarnaast zijn de satellietgegevens vaak sneller beschikbaar dan de officieel gerapporteerde cijfers aan bijvoorbeeld het Europese Milieu Agentschap (EMA). Op basis van
Figuur 2: gemiddelde (troposferische) No2-kolom voor de periode 2005-2009 zoals gemeten door omI. alleen metingen gedaan in onbewolkte omstandigheden zijn gebruikt.
de OMI-satellietmetingen hebben wij daarom jaarkaarten gemaakt van de (verticaal geïntegreerde) NO2concentraties boven Europa. De kaarten in figuur 31 tonen aan dat de NO2vervuiling boven Europa van jaar tot jaar overwegend afneemt, met een opmerkelijk sterke afname in het jaar 2009. Tot 2008 laten de OMI-metingen een gestage NO2-afname van enkele procenten per jaar zien. Deze afname is het gevolg van maatregelen die de uitstoot van luchtvervuiling moeten terugdringen, zoals schonere automotoren en specifieke maatregelen voor de industrie. Maar op de kaarten (vooral die van het jaar 2008) is ook het in gebruik nemen van kolengestookte elektriciteitscentrales in Polen (Ostraleka) en Turkije (Hamitabat) terug te vinden in de vorm van sterk toenemende NO2concentraties, evenals een opmerkelijke verbetering van de luchtkwaliteit (70% minder NO2) nabij de Compostilla II-centrale in Noordwest-Spanje. De afnames in de gemeten NO2concentraties komen enigszins overeen met de door nationale instanties aan de EMA (Europees Milieu Agentschap) gerapporteerde afnames in NOxemissies op basis van statistische gegevens. Zo rapporteerden Nederland en België bijvoorbeeld een afname in NOxemissies van 4,1%/jaar in de jaren tot aan de recessie, en schatten wij op basis van de satellietmetingen dat de NO2concentraties boven Nederland met 2,7%/jaar en boven België met 1,6%/ jaar daalden. De afname van NO2-concentraties boven Europa kunnen niet geheel worden verklaard door de invoering van milieumaatregelen alleen. Onze analyse wijst uit dat de NO2-afnames in 2009 voor een groot deel veroorzaakt zijn door de economische recessie in dat jaar. Door de recessie was er in 2009 minder economische activiteit (verkeer, JUNI 2012 NUmmer 3 TIJDSCHrIFT LUCHT
16
LUCHT IN UITvoerINg Figuur 3: Jaargemiddelde omI (troposferische) No2-kolom voor 2005 (linksboven), en de relatieve verandering voor 2006-2010 ten opzichte van 2005. Wit: geen verandering, rood: toename, blauw: afname. Locaties aangegeven in grijs kenmerken zich door No2-concentraties onder de grenswaarde (1 × 1015 molec.cm-2) nodig voor een relevante statistische analyse.
industriële productie), zodat er minder vervuilende stoffen uitgestoten zijn. Wij schatten dat de NO2-achtergrondconcentraties in Amsterdam en Rotterdam met 3%/jaar respectievelijk 2%/jaar gedaald zijn (ten opzichte van 2005), maar dat alleen al in 2009 de afname op 9% en 14% lag. Kennelijk is één economische recessie van ongeveer een jaar net zo effectief als vier jaar milieubeleid in het reduceren van NO2luchtvervuiling. Deze bevindingen zijn relevant omdat ze aantonen dat realistische emissiescenario’s (veel gebruikt in klimaat- en luchtkwaliteitsmodellen) dus niet simpelweg een lineaire trend
volgen, maar juist het samenspel van milieubeleid en (soms snelle) economische veranderingen weerspiegelen.
|
Luchtvervuiling door zeescheepvaart Opvallend in figuur 3 zijn de NO2toenames in 2006, 2007 en 2008 boven het Kanaal, gevolgd door afnames in 2009 en 2010. Wij hebben daarom ook de veranderingen in luchtvervuiling boven een aantal scheepvaartroutes bestudeerd. De satellietmetingen laten zien dat de NO2-concentraties boven scheepvaartroutes in de Middellandse
Invloed van meteorologische condities Naast NOx-emissies kunnen ook meteorologische condities de NO2-concentraties in de atmosfeer beïnvloeden. NO2 is een kortlevend gas (de geschatte levensduur van NO2 in de lage atmosfeer loopt uiteen van enkele uren tot een dag), reden waarom de satellietkaarten de bronnen van luchtvervuiling zo duidelijk laten zien. De verblijftijd van NO2 op een zekere locatie wordt bepaald door de snelheid waarmee NO2 chemisch afgebroken wordt, en door de snelheid waarmee NO2 wegwaait. In onze studie zijn we nagegaan (a) in hoeverre meteorologische veranderingen samenvielen met de snelle NO2-afnames in 2009, en (b) in hoeverre een trend in meteorologische condities de door ons gevonden trends heeft kunnen onderdrukken of versterken. Als indicator voor fotochemie hebben we weergegevens over de instraling van de zon aan het aardoppervlak, en als indicator voor transport hebben we de windsnelheid en windrichting (op 500 m hoogte) gebruikt. Tussen 2004 en 2010 is de intensiteit van het zonlicht in de onderste laag van de atmosfeer met ongeveer 1%/jaar toegenomen (als gevolg van afnemende concentraties fijn stof6), maar voor windrichting of windsnelheid zijn geen trends vast te stellen. In een afzonderlijke trendanalyse die rekening houdt met deze variabiliteit in zonnestraling en in wind, vinden we nagenoeg dezelfde trends als bij verwaarlozing van de meteorologische termen.
TIJDSCHrIFT LUCHT NUmmer 3 JUNI 2012
Zee, de Rode Zee, de Indische Oceaan en in de Zuid-Chinese Zee verdubbelden tussen 2004 en 2008, gevolgd door een scherpe daling in 2009, die – opnieuw – samenhing met de economische recessie die een sterke krimp in de internationale handel tot gevolg had. Door de wereldwijde economische expansie van de afgelopen decennia is het transport van goederen over zee sterk gestegen. Zowel de hoeveelheid vervoerde goederen als het verbruik van brandstof door zeeschepen zijn tot 2008 gemiddeld met meer dan 3%/jaar toegenomen. Zeeschepen gebruiken brandstof van zeer lage kwaliteit (stookolie) en omdat de scheepvaartsector tot nu toe gevrijwaard is gebleven van serieuze milieumaatregelen, is deze sector een steeds belangrijker bron geworden van stikstofoxiden en zwavel. Modelstudies wijzen uit dat emissies door schepen verantwoordelijk zijn voor ongeveer 10% van NO2concentraties in de kustgebieden van Nederland, België, Frankrijk en ZuidEngeland. Juist deze landen laten zwakkere trends in NO2 zien (OMI NO2: -2,7%/jaar en -1,6%/jaar voor Nederland en België, EMA NOx-emissies: -4,1%/ jaar), dan hun officieel gerapporteerde NOx-emissies doen vermoeden. De emissies van de zeescheepvaart kunnen dit deels verklaren. Figuur 42 laat zien dat trends in de scheepvaartemissies vanuit satellieten duidelijk te detecteren zijn. De trend in NO2-concentraties boven scheepvaartroutes is stijgend, maar vanaf 2008 trad een scherpe daling op die rechtstreeks verband houdt met de mondiale economische recessie. Figuur 4 laat zien dat de NO2-vervuiling gelijke tred houdt met de door het Centraal Plan Bureau berekende volumes van per zeeschip verhandelde goederen.
LUCHT IN UITvoerINg
17
Figuur 4: Scheepvaartbijdrage aan troposferische No2-kolom (zwarte lijn) gedurende de periode 1996-2010, vergeleken met het handelsvolume dat het Suezkanaal passeerde (gele lijn), en de handelsvolumes voor enkele andere gebieden. De handelsvolumes zijn geïndexeerd t.o.v. het jaar 2000 (waarde 100 op de rechteras). De No2-kolommen zijn gemeten door de instrumenten gome (19962002) en SCIamaCHy (2003-2010) en gemiddeld over de vier afzonderlijke scheepvaartroutes.
| Conclusie Ondanks de verschillen met de traditionele methoden om NO2-vervuiling aan de grond te meten, geven recent ontwikkelde satellietinstrumenten een nieuw en uniek beeld van het verloop van luchtvervuiling, zowel in ruimte als tijd. Hoewel de satellietmetingen het oplossend vermogen missen om de NO2-concentraties op straatniveau te meten, zijn ze zeer geschikt voor het in kaart brengen van de regionale achtergrondconcentraties, ook in vervuilde gebieden. Daarnaast geven de satellietmetingen belangrijke informatie over NO2-vervuiling in gebieden die door andere meetmethoden niet of nauwelijks bemeten worden, zoals de Noordzee en het Kanaal. Door het consequent toepassen van één enkele meetmethode geven de satellietbeelden bovendien een robuust beeld van trends in luchtvervuiling voor verschillende gebieden. Dit is geen overbodige luxe gezien de verschillen in emissierapportagetechnieken tussen verschillende landen. Onze satellietmetingen geven gemiddeld een duidelijke daling in NO2 boven Europa te zien. Tussen 2004 en 2008 zijn NO2-concentraties met 5-25% afgenomen als gevolg van milieubeleid, maar boven de scheepvaartroutes steeg de NO2-vervuiling juist door het ontbreken van milieuregels voor zeeschepen. In 2009 daalde de NO2-vervuiling overal in Europa scherp. De diepe economische recessie van dat jaar leidde tot snel verminderde economische activiteit en daardoor minder uitstoot van stikstofoxiden: de gemeten NO2-hoeveelheid daalde in één jaar met 15-30% ten opzichte van 2004. Voor de toekomst ligt een belangrijke uitdaging in het beter vertalen van de satellietmetingen van NO2-kolommen naar concentraties die representatief zijn nabij de grond (en vice versa). Gedetailleerde metingen van de verticale verdeling van
NO2, bij voorkeur in de nabijheid van grondstations en gedurende een satellietmeting, kunnen hierbij helpen. Ook zullen metingen van het TROPOMIinstrument (voet-afdruk: 8 × 8 km2), dat voor lancering in 2015 gepland staat, bijdragen aan een nauwere aansluiting van satelliet- en grondmeting. Daarnaast is meer inzicht in emissies en atmosferische chemie vereist om ook antwoorden te kunnen geven op vragen naar een mogelijke toename in de fractie NO2 in de uitstoot van het wegverkeer en naar de rol van mogelijke veranderingen in de atmosferische NO:NO2verhouding.
5.
6.
* |
Referenties
1.
Castellanos, P. & Boersma, K.F. (2012). Reductions in nitrogen oxides over Europe driven by environmental policy and economic recession. Sci. Rep., 2, 265; DOI:10.1038/srep00265. De Ruyter de Wildt, M., Eskes, H. & Boersma, K.F. (2012). The global economic cycle and satellite-derived NO2 trends over shipping lanes, Geophys. Res. Lett., 39, L01802, doi:10.1029/2011GL049541. Velders, G.J.M., Granier, C., Portmann, R.W., Pfeilsticker, K., Wenig, M., Wagner, T., Platt, U., Richter, A. & Burrows, J.P. (2001). Global tropospheric NO2 column distributions: Comparing three-dimensional model calculations with GOME measurements, J. Geophys. Res., 106, 12643-12660. Hains, J.C., Boersma, K.F., Kroon, M., Dirksen, R.J., Volten H. et al. (2010). Testing and improving OMI DOMINO tropospheric NO2 using observations
2.
3.
4.
from the DANDELIONS and INTEX-B validation campaigns, J. Geophys. Res., 115, D05301, doi:10.1029/2009JD012399. Boersma, K.F., Eskes, H.J., Dirksen, R.J., A, R.J. van der, Veefkind, J.P. et al. (2011). An improved tropospheric NO2 retrieval algorithm for the Ozone Monitoring Instrument, Atm. Meas. Tech., 4, 19051928, doi:10.5194/amt-4-1905-2011. Ruckstuhl, C., Philipona, R., Behrens, K., CollaudCoen, M., Durr, B. et al. (2008). Aerosol and cloud effects on solar brightening and the recent rapid warming, Geophys. Res. Lett., 35, L12708, doi:10.1029/2008GL034228.
K. Folkert Boersma, Geert C.M. Vinken, Patricia Castellanos, Martijn de Ruyter de Wildt & Henk J. Eskes werken bij het KNMI.
JUNI 2012 NUmmer 3 TIJDSCHrIFT LUCHT
