TROPOMI, spectaculaire spectrometer voor de hele aarde Chemie tussen wetenschap en industrie
Rotterdam 31 maart 2011, Dutch Space, Frits Teule
Inhoud • Nederland Instrumentenland • Aardobservatie programma’s – SCIAMACHY - OMI – TROPOMI – resultaten
• TROPOMI
Nederland in Aardobservatie • SCIAMACHY – Initiative by Paul J. Crutzen, Nobel Price 1995 – Start development 1988, launch 2002
• OMI (Ozone Monitoring Instrument) – Start development in 1994, launch 2004
• TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument) – Launch 2014/2015
SCIAMACY Cooler by Dutch Space Radiant Cooler • Two-stage concept • Cooling 8 channels 125~175 K • In operation since 2002
OMI
Ozone Monitoring Instrument
FIRST DAILY URBAN SCALE MEASUREMENTS OF THE TROPOSPHERE
• Launched in July 2004 • On NASA’s AURA satellite • Recognized as world-class instrument, fully operational
• By Dutch Space, TNO, Patria and VTT • Program direction: The Netherlands Space Office (NSO) and FMI for Finland
OMI Measures the ozone layer °
OMI supplies data for the IPCC – OMI is the current standard for ozone measurements – IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change • UN committee for climate
°
The ozone layer is expected to recover – CFC’s in the troposphere decrease since end years ’90 • Result from Montreal protocol
29 Sep 2005
OMI Presentation to ESA
Luchtkwaliteit in Nederland °
OMI yields daily tropospheric NO2 (stikstof) – fossil combustion, traffic, energy plants
° °
Example graphs for 11 to 13/9/06 (www.knmi.nl/omi, www.temis.nl) Thus: – Large daily variations – NL. is not doing very well as compared to surrounding countries • Large density of population
29 Sep 2005
OMI Presentation to ESA
Jaargemiddelden stikstof dioxide
° °
The sources coincide with cities The Netherlands shows up better than Ruhr and Po areas – But room for improvement
29 Sep 2005
OMI Presentation to ESA
Tropospheric NO2 (stikstof) °
Every town > 100000 inhabitants forms a source – Shows car emissions
29 Sep 2005
OMI Presentation to ESA
NO2 in China Yearly averaged tropospheric NO2 shows trend • Increase in air pollution 8 % per year • The resolution of the instruments has improved
GOME-1997
29 Sep 2005
SCIAMACHY-2004
OMI Presentation to ESA
SO2: zwaveldioxide (vulkanen)
29 Sep 2005
OMI Presentation to ESA
SCIAMACHY: Methaan: broeikasgas. Bronnen: bos, permafrost,..
Frankenberg Frankenberget etal, al,Science, Science,2005 2005
TROPOMI TROPOspheric Monitoring Instrument (Dutch Space, TNO, KNMI, SRON, NSO, ESA)
What meten we met TROPOMI? De belangrijkste: -Ozon, O3 (hoog ok, laag: giftig) -Zwaveldioxide, SO2 (vulkanen) -Stikstofdioxide, NO2 (Uitlaatgassen, centrales) -Methaan: CH4 (broeikasgas)
TROPOMI •
Small ground pixels: 7 x 7 km2
•
Modern detectors – With fast electronics & Radiation hardness
•
Extended wavelength coverage – – – – –
UV1 270-310nm UV2 310-400nm VIS 400-500nm NIR 675-775nm SWIR 2305-2385nm
TROPOMI provides the combination: • Climate Research – ozone layer • Air Quality Measurements from space
TROPOMI • • • • • • • •
UV-VIS-NIR-SWIR spectrometer. Number of channels: 4 Spectral resolution: 0.25–1.1 nm Observation mode: nadir, global daily coverage, ground pixel 7*7 km2 Mass: > 150 kg (estimate) Power: 175 W peak (estimate) Data: 64 Gbits/orbit (TBC) Orbit: 824 km, sunsynchronous
–daily earth coverage
Hoe meten we?
‘Top’-of-the-atmosphere
Cloud effects
Absorption + scattering
Surface reflection (albedo, snow/ice)
Meetprincipe
2-dimensional CCD wavelength
• Het instrument meet een streep dwars op de vluchtrichting – In ‘pixels’ van 7 x 7 km2 – Andere spatiele richting is de tijd via de vlucht van de satelliet
• De 2e dimensie van een 2-D detector meet de kleur – Kleuren worden gescheiden met een tralie of prisma
~ 580 pixels
~ 780 pixels
viewing angle ± 57 deg flight direction » 7 km/sec
13 km (~2 sec flight)) 2600 km 12 km/24 km (binned & co-added)
Meetprincipe • ‘pushbroom’ – In tegenstelling tot ‘whiskbroom’ – Meting ground pixels parallel
pushbroom
whiskbroom
Hoe werkt het? • Teruggekaatst zonlicht wordt vergeleken met direct invallend zonlicht. • verschillende elementen geven verschillende piekjes in het gemeten spectrum. • Licht wordt afgebogen naar verschillende detectoren voor verschillende golflengtegebieden. • Op de grond worden data gecorrigeerd voor meetfouten en tbv co-registratie van pixels. • Uitebreide calibraties van het instrument in vacuum op de grond (voor lancering) en gedurende flight.
Lay-out, courtesy TNO Calibration components
Telescope Primary/Scrambler/Secondary
Dichroic 1
Slit 1
UV1
Slit 2
Dichroic 2
UV2
Dichroic 3
VIS
NIR
Calibration components
Telescope Primary/Scrambler/Secondary
Slit 1
SWIR
UV2 optiek, courtesy TNO Imager Field (Mangin) mirror
Grating
Collimator and intermediate imager
Slit
Dichroic and folds
SWIR Gratings, courtesy SRON volume reduced from 120 Liter to 3.5 Liter
2D hybrid HgCdTeCMOS detector
Measured atmospheric spectrum with CO, CH4 and H2O lines. Resolution is 0.25 nm, as designed!
Wetenschap en industrie spannen samen •
Voor OMI reeds intensieve afstemming tussen KNMI (PI), industrie en NSO over de performance eisen
•
Gedurende de bouw van OMI, voorstudies voor vervolg – Met KNMI en SRON als gebruikers van de data => gedetailleerde specificaties
– Resulterend in concreet voorstel van NSO aan ministeries
•
Gedurende voorfasen van het programma, twee jaar lange afstemming met KNMI, SRON en NSO
Resultaat: haalbare TROPOMI specificatie • Op het randje van wat technisch mogelijk is • mei 2011: formele Preliminary Design Review
Resultaat: Sentinel 5 Precursor missie •
Zomer 2008: Nederland (EZ, OC&W, V&W, VROM) besluit TROPOMI te ontwikkelen – Deel van het instrument en deel van dataverwerking t/m 2019 – PI and co-PI: KNMI & SRON
•
November 2008: ESA ministerconferentie besluit: – Dedicated missie voor TROPOMI / Lancering in 2014/2015 – ESA betaalt tevens de helft van het instrument
•
NL en ESA deel TROPOMI: onder leiding van Dutch Space – met TNO, KNMI, SRON – Opdrachtgevers: Netherlands Space Office (NSO) & European Space Agency (ESA)
•
2011: Engeland en Duitsland in competitie voor de satelliet
