Naar de content

De aarde heeft straks een rookmelder in de ruimte

Een kaart van de wereld met rode, blauwe en paarse kleuren.
Een kaart van de wereld met rode, blauwe en paarse kleuren.
NNASA Earth Observatory/Joshua Stevens via publiek domein

Satellieten hebben een steeds scherper oog voor broeikasgassen en vervuilende stoffen in de atmosfeer. Worden (te) grote uitstoters straks resoluut op de bon geslingerd met een milieuflitspaal in de ruimte?

15 mei 2020

Het landschap van het Texaanse Permian Basin ziet er vanuit de lucht haast onwerkelijk uit. Alsof iemand er met een reusachtige potlood en lineaal een abstract kunstwerk op heeft getekend. Pas vanaf de grond zie je de reden hiervoor: duizenden jaknikkers pompen hier per dag miljoenen vaten ruwe olie naar boven. Het is het grootste oliewinningsgebied van Amerika. En waar olie wordt geproduceerd, lekt wel eens wat methaangas weg. Dat is bekend en wordt netjes opgegeven door de producenten. Maar niet bekend was dat de daadwerkelijke uitstoot ruim twee keer hoger is.

Luchtfoto van oliewinning in Texas. Het landschap is bezaaid met jaknikkers die olie omhoog pompen. Bij de productie en raffinage van ruwe olie kan methaan vrijkomen.

 flickr.com, formulanone via CC BY-SA 2.0

Die extra uitstoot werd ontdekt vanuit de ruimte, door een satellietinstrument dat iedere dag de atmosfeer van de hele wereld in kaart brengt. TROPOMI meet de aanwezigheid van methaan, maar ook van een aantal andere vervuilende stoffen, zoals stikstofdioxide, ozon en zwaveldioxide. Het werd in Nederland ontwikkeld.

Deze metingen dienen een wetenschappelijk doel: om modellen van de atmosfeer te verfijnen en luchtvervuiling beter te begrijpen. Maar met een toenemende precisie komen mogelijk ook andere bestemmingen binnen bereik. Zoals handhaving. Niet zelden blijkt de opgegeven uitstoot van een fabriek of land af te wijken van de werkelijke waarde. Fouten of fraude in de rapportage worden afgestraft, is het idee. Hebben we straks een milieupolitie in de ruimte?

Handhaven vanuit de ruimte

Een van de missies die een flinke stap kan zetten richting het accuraat en constant monitoren van de uitstoot van broeikasgassen is de beoogde ruimtemissie Copernicus CO2 Monitoring Mission (CO2M). Een of meerdere satellieten moeten vanaf 2026 vanuit de ruimte de uitstoot van broeikasgassen zoals koolstofdioxide en methaan met een hogere precisie bepalen.

De Amerikaanse satelliet Orbiting Carbon Observatory 2 brengt wereldwijd de concentraties koolstofdioxide in kaart.

 Wikimedia Commons, NASA/JPL-Caltech via publiek domein

Een handvol ruimtemissies meten momenteel CO2 in de atmosfeer, zoals het in 2014 gelanceerde Amerikaanse Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2) en de nog wat oudere Japanse Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSat). De eerstgenoemde satelliet is in staat om de gemiddelde tweewekelijkse concentratie koolstofdioxide in een gebied van pakweg honderd bij honderd kilometer te bepalen.

Dat is waardevol voor de wetenschap. Maar volgens Anton Leemhuis, onderzoeker op het gebied van satellietdatagebruik en het ontwikkelen van aardobservatie-instrumenten bij onderzoeksinstituut TNO, is vooral het karakter van CO2M anders dan deze onderzoekssatellieten. OCO-2 en GOSat houden op een gegeven moment op metingen te doen. CO2M moet de start zijn van een langdurige monitoringmissie waarbij satellieten worden vervangen op het moment dat ze niet meer werken. Zo ontstaat een lange, betrouwbare én openbare datareeks van de concentratie van broeikasgassen in bepaalde regio’s. Dat is essentieel voor het monitoren van de uitstoot en het biedt in vervolgmissies wellicht handvatten voor de handhaving ervan.

Met een beoogde precisie van twee bij twee kilometer heeft de Europese CO2M een scherp zicht op broeikasgassen. Uiteindelijk hopen de betrokken wetenschappers zelfs pluimen van CO2 te kunnen ontdekken bij grote uitstoters zoals centrales of stedelijke gebieden. Zoiets lukt momenteel al aardig voor bijvoorbeeld stikstofdioxide, maar is voor koolstofdioxide en methaan lastiger. Die laatste stof blijft tot honderden jaren in de atmosfeer hangen en de ‘verse’ uitstoot mengt zich met de al aanwezige CO2 uit natuurlijke en menselijke bronnen. De concentratie in zo’n CO2-pluim kan minder dan enkele procentpunten afwijken van de gemiddelde koolstofdioxideconcentratie van zo’n 0,04 procent.

De concentratie stikstofdioxide boven Nederland op 7 november 2017 gezien door het satellietinstrument TROPOMI. Stedelijke en industriële gebieden zoals het Ruhrgebied, Brussel, de haven de Rotterdam en de hoogovens bij Amsterdam hebben hogere concentraties. TROPOMI ziet deze stof met een precisie van ongeveer drie bij vijf kilometer.

 Wikimedia Commons, ESA/Copernicus Sentinel-5P via CC BY-SA 3.0 IGO

Als het lukt om de satellieten in 2026 de lucht in te krijgen dan zou dat op tijd zijn voor de wereldwijde inventarisatie van de uitstoot van broeikasgassen in 2028. Het Akkoord van Parijs, waarin 195 landen in 2015 met elkaar afspraken om die uitstoot terug te dringen en de opwarming van de aarde te beperken tot maximaal 1,5 graden Celsius, voorziet iedere vijf jaar zo’n inventarisatie. De eerste staat in 2023 op de planning. Leemhuis ziet het voordeel van zo’n missie, zowel voor de wetenschap als het nakomen van klimaatafspraken: “In beide gevallen is een meting veel beter dan een schatting of opgave van een land.”

Niettemin is CO2M een ambitieus project. De missie zou honderden miljoenen euro’s kosten en of het er komt is nog onzeker. Het project zit momenteel in de onderzoeksfase en concurreert binnen het Europese aardobservatieprogramma Copernicus met verschillende andere ruimtemissies.

Vingerafdrukken in de lucht

Waar aardobservatiesatellieten voor atmosfeermetingen in de jaren negentig concentraties van stoffen maten in gebieden van tientallen kilometers groot, zijn die zogenoemde pixels inmiddels teruggebracht tot onder de tien kilometer. In de toekomst gaat die schaal wellicht naar minder dan een kilometer.

De precisie van een satelliet hangt af van de gevoeligheid van de zogenoemde spectrometer die de absorpties van stoffen in de atmosfeer meet. De stoffen absorberen een deel van het door de aarde weerkaatst zonlicht en laten zo een specifieke ‘vingerafdruk’ achter in het licht. Binnen een apparaat kan de nauwkeurigheid van de meting per stof verschillen omdat het spectrum overlapt met dat van andere stoffen. Bovendien spelen storende factoren zoals absorptie van water in de atmosfeer en het uitstraling van infraroodstraling door het aardoppervlak een rol.

Het opsporen van individuele uitstootbronnen wordt makkelijker bij kleinere pixels, maar dat betekent meestal ook een kleiner blikveld van de satelliet.

De 'voetafdruk' van een aantal belangrijke atmosferische stoffen in het ultraviolet, het zichtbare licht en het infrarood. De stoffen absorberen specifieke golflengtes van deze straling (de witte balken) waardoor ze te traceren zijn in satellietopnames van de atmosfeer.

De ‘vingerafdruk’ van een aantal belangrijke atmosferische stoffen in het ultraviolet, het zichtbare licht en het infrarood. De stoffen absorberen specifieke golflengtes van deze straling (de witte balken) waardoor ze te traceren zijn in satellietopnames van de atmosfeer.

 Dutch Space

De skyline van Tata Steel, de grootste staalfabriek van ons land, in IJmuiden.

 Tata Steel

Van de ruimte naar de grond

Metingen en handhaving van de uitstoot van vervuiling zoals methaan, stikstofdioxide en fijnstof vinden nu onder andere plaats op basis van luchtmetingen op de grond. In Nederland verzamelt het onderzoeksinstituut RIVM samen met enkele andere partners luchtmetingen van zo’n negentig meetstations, die op strategische plaatsen zijn neergezet.

Rondom de hoogovens in IJmuiden staan vijf stations. “We zien de windrichting terug in die metingen”, zegt Joost Wesseling, onderzoeker op het thema luchtkwaliteit van het RIVM. Er kunnen ook maatregelen volgen. “Stel dat we meten dat de hoogovens te veel fijnstof uitstoten dan krijgt Tata Steel een ‘handhavingsverzoek’ van de toezichthouder, in dit geval de Omgevingsdienst.”

Wesseling ziet weliswaar steeds mooiere satellietplaatjes, maar denkt dat het nog lang zal duren voordat ze zich kunnen meten met de apparatuur op de grond. “De satelliet ziet de situatie in de gehele luchtlaag tussen het aardoppervlak en de satelliet op honderden kilometers hoogte. Je ziet indrukwekkende pluimen op de satellietplaatjes, maar die stoffen kunnen net zo goed kilometers hoog zitten”, zegt hij. “Op de volksgezondheid heeft dat nog nauwelijks invloed. Wat dat betreft is het belangrijker om te weten wat er in de onderste tweehonderd meter gebeurt.” Wesseling zegt dat het vooralsnog lastig is om satellietsignalen op een betrouwbare manier te vertalen naar de situatie op grond. Er is bijvoorbeeld nog een grondmeting nodig om de signalen van de satelliet te ijken.

Het RIVM verzamelt in Nederland van zo’n negentig meetstations gegevens over de luchtkwaliteit. Europese richtlijnen schrijven voor hoeveel van dit soort meetstations een bepaald gebied moet hebben. In de buurt van grote steden en industriële gebieden zijn er meer meetstations.

 RIVM/Luchtmeetnet.nl

En waarom zou je eigenlijk een dure satelliet lanceren? Het installeren van een meetstation kost volgens Wesseling honderdduizend euro en daar komt per jaar nog eens zo’n 25 duizend euro bij voor onderhoud. Voor de prijs van een grote satellietmissie (al gauw een paar honderd miljoen euro) kun je ‘een heel continent behangen met meetstations’.

Leemhuis zegt dat satellietmetingen de grondstations niet overbodig maken. “Dat krijg ik wel eens te horen: jullie gaan onze grondmetingen toch niet vervangen? Nee, ik zou juist zeggen dat dit een extra stuk gereedschap in de kist is waarmee we de gebeurtenissen in de atmosfeer volgen. Satellietmetingen zeggen juist iets over de transport van stoffen over grotere afstand”, zegt hij.

Milieupolitie

Uiteindelijk zijn metingen op de grond versus de ruimte vooral schijnbare concurrenten. Ja, als je met een hoge precisie wilt weten wat de concentratie van een bepaalde stof bij de grond is dan moet je op die plek een meting doen. Maar wat is de concentratie honderd meter verderop, een kilometer verderop of tien kilometer?

Ook het RIVM gebruikt modellen om de metingen van hun meetstation om te zetten naar een kaart voor heel Nederland. Modellen die overigens goed zijn getest en geverifieerd door een groot aantal metingen, zegt Wesseling. Uiteindelijk kan de informatie uit de ruimte ook dienen om grondmodellen te verfijnen.

En als satellietbeelden niet in Europa heel veel extra waarde hebben, dan hebben ze dat wel op een continent als bijvoorbeeld Afrika, waar op veel plekken geen betrouwbaar meetnetwerk op de grond bestaat. Daar kunnen satellieten wel verschil maken, denkt Wesseling.

Ook in het geval van bijvoorbeeld een geëxplodeerde boorput waaruit veel gassen ontsnappen ziet een satelliet snel wat er aan de hand is. Het is vaak niet zo makkelijk om daar snel in de buurt te komen en betrouwbare en onafhankelijke metingen te doen”, zegt Leemhuis. “Zo’n lek duurt misschien maar een paar dagen.”

Juist hier zie je hoezeer de metingen vanuit de ruimte zijn verbeterd in de loop van de jaren. Leemhuis: “Het in 2002 gelanceerde satellietinstrument SCIAMACHY (aan boord van ENVISAT) had maanden en tientallen tot honderden passages nodig om verhoogde concentraties in het gaswinningsgebied als het Amerikaanse Four Corners vast te stellen. TROPOMI vond vorig jaar met één passage een lekkende boorput in Ohio.”

Hebben we hiermee straks een milieupolitie in de ruimte? De technologische vooruitgang op dit gebied en de monitoringsmissies die nu worden opgetuigd zijn wellicht stappen in die richting. Toch zal het dan nog jaren duren voordat zo’n systeem precies en betrouwbaar genoeg is om handhaving mogelijk te maken. Bovendien hangt dit niet alleen af technologische en wetenschappelijke ontwikkelingen, maar ook vooral van politieke keuzes.

ReactiesReageer