Een satelliet is een object dat in een baan om een hemellichaam beweegt onder invloed van de zwaartekracht. Dat kan een maan zijn, zoals de maan die om onze aarde heen draait, maar ook een door de mens gemaakte kunstmaan.
Figuur 1: Een satelliet in zijn baan. Bron: Wikimedia.
Navigatiesystemen van auto’s, vliegtuigen en schepen gebruiken satellieten om hun positie te bepalen. Maar er zijn ook satellieten met meetinstrumenten aan boord waarmee je kunt meten aan bijvoorbeeld gletsjers of aan de luchtkwaliteit. Eén daarvan is Tropomi (TROPOspheric Monitoring Instrument).
Wat meet Tropomi?
Het meetinstrument Tropomi bevindt zich op de satelliet Sentinel 5P die op 13 oktober 2017 is gelanceerd. Sinds die dag cirkelt het apparaat op een afstand van 824 kilometer om de aarde.
Figuur 2: Satelliet Sentinel 5P. Bron: ESA.
Tropomi is grotendeels bedacht en ontworpen in Nederland. Het meetinstrument kan concentraties van allerlei stoffen in de atmosfeer meten, zoals de gassen stikstofdioxide (NO2), zwaveldioxide (SO2), methaan (CH4, een broeikasgas) en koolstofmonoxide (CO).
Figuur 3: Stikstofdioxide(NO2)-concentraties in Europa in juni 2018. Bron: ESA.
Overzicht in een dag
De satelliet met daarop Tropomi maakt elke 100 minuten een rondje om de aarde. Daarbij meet het instrument steeds over een strook van wel 2600 kilometer bij 5,6 kilometer. Doordat de aarde onder de satelliet door draait, meet Tropomi bij elk rondje weer een ander gebied van de aarde. In korte tijd speurt Tropomi zo de hele aarde af.
Figuur 4: Animatie van de satelliet met aan boord Tropomi, die in 24 uur de hele aarde scant om beelden te maken van de concentraties van verschillende stoffen in de atmosfeer. Bron: ESA/ATG.
Nadat alle meetgegevens zijn verzameld, kunnen wetenschappers hiermee de concentraties van verschillende stoffen in de atmosfeer berekenen. Zo kunnen ze uiteindelijk de concentraties bepalen voor gebiedjes van slechts 3,5 bij 5,6 km. Een gebied zo groot als een flinke woonwijk!
Hoe meet tropomi?
Het is heel bijzonder dat Tropomi de hele aarde in zo’n korte tijd in beeld kan brengen. Maar hoe meet Tropomi de concentraties van bijvoorbeeld methaan? Het apparaat gebruikt hiervoor een heel slimme techniek. Het kijkt naar het lichtspectrum van direct zonlicht – waarin heel veel verschillende lichtkleuren zitten – en vergelijkt dat met het lichtspectrum van zonlicht dat eerst via de atmosfeer is gereisd (indirect zonlicht). Uit het verschil hiertussen kun je achterhalen hoeveel er van ieder gas in de atmosfeer aanwezig is.
Figuur 5: Schematische weergave van het pad dat direct en indirect zonlicht aflegt, voordat het binnenkomt bij satellietinstrument Tropomi.
Hoe zit dat? Iedere gassoort is anders opgebouwd. De atomen waaruit het gas bestaat en de bindingen hiertussen zijn voor elk gas uniek. Zo is methaan (CH4) opgebouwd uit één koolstofatoom en vier waterstofatomen, terwijl koolmonoxide (CO) bestaat uit één koolstofatoom en één zuurstofatoom. Als zonlicht dat naar de aarde gaat onderweg gas tegenkomt, dan kan het gas een deel hiervan (specifieke golflengtes) opnemen – dat noem je absorberen. Welke lichtkleuren een gas absorbeert, hangt af van het soort bindingen in het gasmolecuul. En die zijn dus voor elk gas uniek.
Stel dat het lichtspectrum van zonlicht een kam is, waarbij elk tandje van de kam de lichthoeveelheid voorstelt van één lichtkleur. Als het zonlicht dan door de atmosfeer reist en allerlei gassen tegenkomt, dan snoepen deze gassen op sommige plekken een stukje van de tandjes af. Zo blijft er een kam over waar allemaal hapjes uit zijn. Omdat wetenschappers van elke gassoort precies weten welke lichtkleuren ze wegsnoepen uit het zonlicht, kunnen ze zo achterhalen welke stoffen er in de atmosfeer zitten en hoeveel.
Het meten van het lichtspectrum doet Tropomi met een speciaal ontworpen spectrometer. Hiermee meet het meetinstrument het lichtspectrum van zowel het zonlicht als het licht afkomstig uit de atmosfeer. Zo kan Tropomi heel precies en plaatsafhankelijk meten wat de absorptie van verschillende gassen is. Onderzoekers kunnen hieruit dan de concentraties van deze gassen berekenen.
Wat hebben we aan Tropomi?
Tropomi kan ons in relatief korte tijd een beeld geven van de concentraties van gassen in de atmosfeer. Dat biedt veel handige toepassingen. Zo hebben ze door het meten van methaanconcentraties al meerdere keren methaanlekken ontdekt. Ze konden hierdoor snel de bedrijven waar deze lekken waren ontstaan waarschuwen en zorgen dat de lekken werden gedicht. Dat is belangrijk, want methaan is een heel sterk broeikasgas. Ook kunnen onderzoekers met Tropomi vervuiling rondom steden goed in beeld brengen. Zo zagen ze bijvoorbeeld heel duidelijk dat er veel minder luchtvervuiling was boven Nederland in het begin van de coronapandemie.
Figuur 6: Stikstofdioxide(NO2)-metingen van Tropomi boven Nederland van 22-26 maart 2020 vergeleken met 23-27 februari 2019, een periode met vergelijkbare meteorologische omstandigheden. Bron: KNMI.
Maar Tropomi kan bijvoorbeeld ook de luchtvervuiling door bosbranden of vulkaanuitbarstingen in kaart brengen.
Figuur 7: Beeld van hoe zwaveldioxide (SO2) vrijgekomen bij de vulkaanuitbarsting op La Palma in 2021 zich verplaatst. Bron: KNMI.
Levensduur Tropomi
Hoe lang blijft Tropomi ons van informatie voorzien? Zolang de aansturing van de satelliet goed blijft werken en de satelliet netjes om aarde heen blijft cirkelen, kan er gemeten worden. Maar ook de techniek moet blijven werken. De pixels van de detectoren kunnen bijvoorbeeld kapot gaan door straling in de ruimte. Hoe meer pixels van de spectrometer kapotgaan, hoe incompleter het beeld dat het meetinstrument zal geven. Maar het zal waarschijnlijk nog lang duren voordat deze uitval van pixels problematisch wordt. En tot die tijd geeft Tropomi ons een helder zicht op luchtvervuiling!
