Skip to main content

Wetenschap met vleugels: stikstofverontreiniging meten in volle vlucht

2022-08-19

Onderzoekers van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie hebben geen energiedrankjes nodig om de lucht in te gaan, ze werken gewoon samen met het team van Dr. Thomas Ruhtz van de Freie Universität Berlin (FUB), dat een vliegtuig ter beschikking heeft. Samen met de Université Libre de Bruxelles (ULB) draagt elk van de drie instituten zijn apparatuur en expertise bij aan de door ESA gefinancierde NITROCAM-campagne voor het meten van luchtverontreiniging door stikstofverbindingen. Dit ter voorbereiding van NITROSAT, een satelliet die hoge-resolutiewaarnemingen van stikstofverontreinigingsbronnen moet verrichten en die in de running is om ESA's 11e Earth Explorer-missie te worden. Tot dusver heeft de NITROCAM-campagne niet alleen goede gegevens opgeleverd, maar ook prachtige luchtfoto's van enkele interessante bezienswaardigheden!

Het probleem van de stikstofverontreiniging

Het probleem met luchtverontreiniging door stikstofverbindingen zoals ammoniak (NH3) en stikstofdioxide (NO2) is dat zij fijne deeltjes in de atmosfeer kunnen doen ontstaan. Deze fijne deeltjes verslechteren de luchtkwaliteit en dus het zicht, maar kunnen ook ernstige ademhalings- en hart- en vaatproblemen veroorzaken, vooral bij kwetsbare personen. NO2 op zich is ook schadelijk omdat het de longen kan irriteren en een verslechtering van de longfunctie kan veroorzaken. In hoge concentraties kan het bijdragen tot de ontwikkeling van aandoeningen van de luchtwegen zoals astma, kan het de symptomen van dergelijke aandoeningen verergeren en kan het de gevoeligheid voor infecties van de luchtwegen verhogen.

Bovendien kan een teveel aan stikstofverbindingen in de atmosfeer een ravage aanrichten in tal van ecosystemen op aarde en in het water. Zij veroorzaken verzuring van de bodem, waardoor de groei van planten in de natuur of in de landbouw wordt belemmerd. Wanneer zij in water worden opgelost, beïnvloeden zij de chemische processen en het chemisch evenwicht, wat kan leiden tot gezondheidsproblemen en zelfs tot de dood van het leven in zee en in zoet water. Deze effecten leiden tot andere gevolgen die nadelig zijn voor onze samenleving. Omdat de aarde als een globale dominostructuur functioneert, kan één vallende tegel de val van een lange reeks andere veroorzaken, ook al lijken ze ver van elkaar verwijderd.

Met de vaststelling dat stikstofverontreiniging een probleem is, wordt duidelijk dat regelgeving en beleidsmaatregelen nodig zijn om de verontreiniging te beheersen en terug te dringen, maar beleidsmakers kunnen niet optreden zonder informatie en toezicht op het effect van besluiten. Dit deel is onze taak. Samen met de ULB en andere Europese partners willen wij een satelliet voorbereiden en lanceren, NITROSAT genaamd, die specifiek bestemd is voor het waarnemen van bronnen en het bewaken van niveaus van stikstofverontreiniging, met een ongekende resolutie van 500 m2. Dit betekent dat NITROSAT een onderscheid zou kunnen maken tussen bronnen indien die meer dan 500 m van elkaar verwijderd zijn, een afstand die een atleet in minder dan 60 seconden kan afleggen. Een waar technologisch huzarenstukje als het wordt gehaald! (Voor de satelliet, niet voor de atleet. Hoewel het voor de atleet natuurlijk ook een prestatie is, alleen geen technologische, als je high-tech sportuitrusting niet meetelt).

NITROCAM dan NITROSAT: een voorgestelde oplossing

Als je NITROSAT voor het eerst zou ontmoeten op het feestje van een vriend, zou de satellietmissie zich als volgt voorstellen:

  • Ik begin momenteel aan mijn fase van wetenschappelijke en industriële voorontwikkeling, aangezien ik onlangs door het Europees Ruimteagentschap ben goedgekeurd als een van de kandidaten voor de 11e Earth Explorer-missie.
  • In 2025 zal ik te weten komen of ik gekozen ben voor de job.
  • Als mijn wetenschappers en ingenieurs erin slagen mij de taak van 11e Earth Explorer missie te bezorgen, zal ik verder worden ontwikkeld en rond 2031-2032 in een baan om de aarde worden gebracht.

 

Nu de algemene inleidingen achter de rug zijn, kunnen we wat dieper ingaan op de biografie van NITROSAT, meer bepaald op één deel van de ontwikkelingsfase ervan: NITROCAM. NITROCAM is een reeks meetcampagnes gewijd aan de voorbereiding van de NITROSAT-missie en uitgevoerd door het BIRA airborne team, in samenwerking met ULB en FUB. Aan onze kant bestaat het team uit onderzoekers en ingenieurs die een instrument hebben ontwikkeld, SWING genaamd, dat in een klein vliegtuig van de FUB werd gemonteerd. Met SWING verrichten zij lokale metingen van de horizontale verdeling van NO2 onder het vliegtuig.

Naast SWING is een TELOPS HyPER-Cam LW van het Duitse Centrum voor Geowetenschappen (GFZ) geïntegreerd om NH3 te meten in het thermische infrarood. Samen kunnen de instrumenten worden beschouwd als een airborne demonstratiemissie voor de toekomstige NITROSAT-ruimtemissie. De ruimtelijke resolutie van de verzamelde gegevens zal worden geresampled alsof zij vanuit de ruimte waren verzameld en specificaties zoals de gevoeligheid enz. zullen worden beoordeeld.

De eerste wetenschappelijke vluchten vonden plaats in Duitsland in het najaar van 2020 en het voorjaar van 2021 en hebben al een eerste gezamenlijke detectie van NH3 en NO2 op een industriële locatie mogelijk gemaakt. In mei en juni 2022 richtte de campagne zich op Italië, dat met name interessant is vanwege de goede weerstatistieken, aangezien weersomstandigheden een belangrijke factor zijn voor onze teledetectiewaarnemingen.

Visualisation of SWING relevance
Figuur 1: Visualisering van de wijze waarop het SWING-instrument zal bijdragen tot de vermindering van de stikstofverontreiniging.

Enkele weken geleden maakten zij met SWING en de Hyper-Cam een vlucht boven de provincie Pisa in Toscane in FUB's Cessna-vliegtuig, wat resulteerde in een paar mooie foto’s van zowel de beroemde toren als de VIRGO-onderzoeksfaciliteit voor de detectie van gravitatiegolven.

Pisa tower
Figuur 2: Kan je de toren van Pisa spotten? Het is beroemd voor de associatie met Galileo Galilei (1564-1642), die zou hebben aangetoond dat voorwerpen met dezelfde snelheid vallen, onafhankelijk van hun massa, door twee bollen met verschillende massa van de top van de toren te laten vallen. Helaas is dit verhaal, zoals veel anekdotes over wetenschappelijke ontdekkingen, waarschijnlijk niet echt gebeurd. Credit: Thomas Ruhtz
VIRGO
Figuur 3: De indrukwekkende L-vormige structuur aan de rechterkant van de foto is de VIRGO-faciliteit voor de detectie van gravitatiegolven. Het werkt door het meten van de kleinste afwijkingen in de reisttijd van laser tussen de twee armen (elk 3 km lang), een techniek die interferometrie wordt genoemd. Toevallig werkt de NH3-detector van het TELOPS-instrument ook met interferometrie, waarbij infrarode straling wordt gemeten over een afstand op de veel kleinere schaal van 20 cm. Credit: Thomas Ruhtz
in lfight monitoring
Figuur 4: Monitoring van de prestaties van de SWING en Hyper-Cam-instrumenten tijdens de vlucht. Credit: Thomas Ruhtz

De uitdaging van luchtmetingen

airplane instrumentation
Figuur 5: Het instrument achteraan (blauw-wit) is de Hyper-Cam, gemonteerd op zijn stabilisatieplatform. Credit: Thomas Ruhtz

Behalve de nood aan een avontuurlijke, niet claustrofobische wetenschapper zonder hoogtevrees, brengt het verzamelen van gegevens aan boord van een klein vliegtuig nog andere moeilijkheden met zich mee. Een vliegtuig (vooral kleine modellen) vliegt bijvoorbeeld niet in een precieze rechte lijn. Dwarswind van opzij zal het, ondanks correcties van de piloot, lichtjes uit koers brengen. Dit is niet ideaal voor wetenschappelijk onderzoek zoals het nauwkeurig in kaart brengen van verontreinigende bronnen, zodat de binnenkomende gegevens moeten worden gecorrigeerd voor de afwijkingen van de lijn. De oplossing van het probleem is te zien op figuur 5.

Achteraan in het vliegtuig is het Hyper-Cam-instrument te zien. Interessant is dat het niet evenwijdig met het vliegtuig is geplaatst, maar enigszins scheef. Het is in feite gemonteerd op een stabilisatieplatform dat draait naar gelang van de hoeveelheid en de richting van de zijwind die het vliegtuig ondergaat, waardoor het instrument in een consistent lineair patroon blijft meten en de wetenschappers een hoop moeite wordt bespaard!

Op de foto lijkt er veel zijwind te zijn geweest, want het platform is naar de meest uiterst rechtse positie gedraaid (vanuit het perspectief van het vliegtuig).

Enkele voorlopige resultaten

De landbouw is een van de belangrijkste bronnen van fijn stof. Het verminderen van de uitstoot van NH3 door landbouwpraktijken is dus essentieel om de luchtverontreiniging te verminderen en de schadelijke gevolgen ervan te beperken. Volgens een verslag van het Europees Milieuagentschap van 2019 vertoonde de NH3-uitstoot door de landbouw een stijgende tendens. Bijgevolg waren de vluchten in Italië sterk gericht op landbouwbronnen, ook al werden ook industriële bronnen van NH3 aangepakt. Een mooi voorbeeld van zo'n bron in het gebied is de natriumcarbonaatfabriek (of sodafabriek) van Rosignano. De noordoostwaarts gerichte pluim is duidelijk te zien in figuur 7.

De grootste bronnen van NO2 houden verband met menselijke activiteit zoals verbrandingsprocessen, bv. in thermische motoren of industriële schoorstenen. Figuur 6 toont de NO2-abundantie rond Pisa en Livorno op 20 juni 2022. Twee pluimen zijn afkomstig uit Livorno: een uit het centrum en de haven, de tweede uit een industriegebied met raffinaderijen.

De veelbelovende dataset die tijdens NITROCAM is verzameld, heeft de haalbaarheid aangetoond van de gezamenlijke waarneming van NO2 en NH3 vanuit een compacte nadir-ogende instrumentele opstelling (die recht naar beneden naar de grond kijkt). Dit is een belangrijke stap in de voorbereiding van een missie in de ruimte, die helpt om het algemene concept te verifiëren en toekomstige werkzaamheden motiveert. Je hoort waarschijnlijk nog wel over NITROSAT in de toekomst!

 

News image 1
News image legend 1
Wetenschap met vleugels: stikstofverontreiniging meten in volle vlucht. Credit: Thomas Ruhtz
News image 2
News image legend 2
Figuur 6: Troposferische NO2-kolommen boven de regio van Pisa, Italië, op 20 juni 2022. Credit: BIRA-IASB
News image 3
News image legend 3
Figuur 7: Troposferische kolommen NH3, met de hoge-concentratiepluim van de natriumcarbonaatfabriek van Rosignano, Pisa, Italië, 19 mei 2022. Credit: BIRA-IASB