Sentinel satellietmetingen in dienst van de Belgische luchtkwaliteit

Luchtkwaliteit
LEGO-BEL-AQ, een nieuw project geïnitieerd door het BIRA in samenwerking met de Intergewestelijke Cel voor het Leefmilieu (IRCEL-CELINE), heeft tot doel de atmosferische waarnemingen van de Copernicus-constellatie van Sentinel-satellieten optimaal geschikt te maken om het luchtkwaliteitsbeleid in België te ondersteunen. LEGO-BEL-AQ beoogt het gebruik van zowel dagelijkse wereldwijde gegevens van polaire Sentinel-5(p) satellieten als van meermaals daagse gegevens over Europa van de aanstaande geostationaire Sentinel-4. Op basis daarvan worden kaarten van stikstofdioxide (NO2) aangemaakt met een resolutie die toelaat de verdeling te analyseren op het niveau van stadsgrenzen, en dit in synergie met regionale in-situ metingen van verontreiniging in de onderste luchtlagen.

Opvolgen van luchtkwaliteit en de impact van milieubeleid op de juiste schaal

De processen die de luchtkwaliteit bepalen, bestrijken een breed gamma aan schalen, van uitstoot door puntbronnen tot intercontinentaal transport, en dat geldt ook voor de regelgeving die door de verschillende overheden is uitgewerkt om de luchtkwaliteit te beheren binnen hun domein van bevoegdheid. Het opvolgen van de luchtkwaliteit is tot nu toe voornamelijk gebaseerd op in-situ metingen van concentraties in de onderste luchtlagen, waarbij de ruimte tussen de waarnemingen wordt ingevuld met numerieke modellen.

Satellietinstrumenten van de nieuwe generatie op zonsynchrone Low Earth Orbits (LEO) - zoals de Copernicus Sentinel-5(p) serie waarvan de eerste in 2017 is gelanceerd - leveren nu echter dagelijks wereldwijde kaarten van luchtvervuiling tot op een horizontale schaal van 3x5.5 km2.

Binnenkort zullen deze dagelijkse globale metingen worden aangevuld door geostationaire (GEO) instrumenten die informatie verstrekken over de cyclus van verontreinigende stoffen doorheen de dag, evenwel slechts over het beperkte geografische gebied dat vanuit geostationair oogpunt toegankelijk is: de Europese luchtkwaliteit zal elk uur in kaart gebracht worden door de Sentinel-4 satellieten, terwijl andere geostationaire satellieten zich op Noord-Amerika en Oost-Azië zullen richten. De complementariteit van deze drie meetsystemen (in situ, LEO, GEO) mag dus duidelijk zijn.

De belangrijkste uitdagingen om het volledige potentieel van de constellatie te realiseren

Om het volledige potentieel van de constellatie van nieuwe LEO- en GEO-satellieten te realiseren, en om hun waarnemingen geschikt te maken voor luchtkwaliteitstoepassingen op de verschillende schalen, moeten verschillende uitdagingen worden aangepakt:

  1. Om de satellietgegevens beter geschikt te maken voor het opvolgen van bijv. de impact van de lage-emissiezones die in verschillende Belgische steden gelden, dient hun resolutie verbeterd te worden tot sub-stadsschalen, typisch van 3-4 km naar 1 km.
  2. De relatie tussen kolomhoeveelheid verontreinigende stof (gemeten door de satelliet) en de concentratie nabij het oppervlak (gemeten door de in-situ netwerken) is niet triviaal en moet apart bepaald worden .
  3. Er dient bepaald te worden hoe de verschillende LEO- en GEO-platformen leiden tot een andere perceptie van atmosferische en oppervlaktedetails, en hoe we kunnen gebruik maken van - of corrigeren voor - deze verschillen.

LEGO-BEL-AQ: Naar een geïntegreerd LEO + GEO systeem voor de opvolging van luchtkwaliteit in België

Gefinancierd door het Federaal Wetenschapsbeleid van België in het kader van het BRAIN-BE 2.0 programma, en uitgevoerd in samenwerking met IRCEL-CELINE, effent het LEGO-BEL-AQ project (voor Low-Earth en Geostationary Observations of BELgian Air Quality) de baan voor het synergistische gebruik van de Copernicus LEO+GEO AQ Sentinels, en dit ter ondersteuning van het Belgische luchtkwaliteitsbeleid.

Figuur 1 illustreert voor het Brusselse gebied de capaciteit van het systeem door contrasten in stikstofdioxide (NO2) tussen de zomers van 2019 en 2020 te tonen. Verdere details en illustraties zijn te vinden op de LEGO-BEL-AQ projectwebsite op https://lego-bel-aq.aeronomie.be.

Troposferische kolom stikstofdioxide (NO2) kaart Brussel
Figuur 1: De troposferische kolom van stikstofdioxide (NO2) in kaart gebracht met een horizontale resolutie van 1 km boven Brussel en omgeving (i) tijdens de normale situatie van zomer 2019 (linkerpaneel) en (ii) tijdens de SARS-CoV-2-gerelateerde omstandigheden van zomer 2020 (rechterpaneel). © Gegenereerd voor LEGO-BEL-AQ op basis van gemodificeerde Copernicus Sentinel-5p TROPOMI-gegevens, verwerkt door het BIRA (2020).