Troposferische totale ozonkolom meten met satellieten: een uitdaging

De afgelegen stratosferische ozonlaag, die een groot deel van de agressieve UV-straling absorbeert, beschermt het leven aan de oppervlakte. Troposferisch ozon daarentegen is een toxische molecule die de menselijke gezondheid, gewassen en ecosystemen aantast. Het is dus noodzakelijk beide lagen afzonderlijk op wereldschaal te controleren, maar het meten van troposferisch ozon vanuit de ruimte blijft een reële uitdaging. Het BIRA blijft zijn expertise in validatie- en data-assimilatietechnieken investeren om deze uitdaging te helpen oplossen.

De troposferische totale ozonkolom met satellieten meten is een uitdaging

Satellietinstrumenten die de rand van de aarde scannen, leveren verticale ozonprofielen op in de stratosfeer, maar niet in de troposfeer. Andere satellietinstrumenten scannen de nadir (d.i., “naar beneden”), maar hun metingen zijn alleen nauwkeurig wanneer zij over het gehele hoogtebereik worden geïntegreerd, hetgeen zogenaamde totale kolommen oplevert.

Door de stratosferische bijdrage af te trekken van de totale ozonkolom is het in principe mogelijk de troposferische ozonkolom te evalueren. Deze operatie lijkt eenvoudig maar is in de praktijk vrij moeilijk omdat deze instrumenten nooit op exact dezelfde plaatsen en tijdstippen meten. Rechtstreeks aftrekken tussen verschillende satellietinstrumenten is niet toereikend, en om betere resultaten te verkrijgen combineren we deze waarnemingen met modellen via data-assimilatiesystemen.

Chemische data-assimilatie om verschillende waarnemingen te combineren

Assimilatie van chemische gegevens bestaat erin een atmosferisch model te combineren met experimentele gegevens om analyses van de samenstelling van de atmosfeer - met inbegrip van ozon - op een regelmatig rooster en op regelmatige tijdstippen te verkrijgen. Het BIRA draagt bij aan de monitoring van troposferisch ozon met twee verschillende benaderingen: door zijn eigen assimilatiesysteem, BASCOE, te gebruiken en door onafhankelijke validatie van het assimilatiesysteem dat wordt gebruikt door de Europese Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS).

Het BIRA heeft bijgedragen aan twee pogingen voor een indirecte aanpak in 2021 en 2022. In de zogenaamde "residuele methode" werden waarnemingen van het hoge-resolutie satellietinstrument TROPOMI gebruikt voor de totale ozonkolommen, en werden waarnemingen van stratosferisch ozon door de NASA limb sounder MLS geassimileerd in BASCOE om nauwkeurige overeenkomsten met de locaties van de TROPOMI-metingen mogelijk te maken.

Het verschil tussen TROPOMI en BASCOE levert de troposferische ozonkolom op. CAMS gebruikt een andere aanpak waarbij het assimilatiesysteem centraal staat: alle satellietwaarnemingen worden rechtstreeks geassimileerd, waardoor analyses van ozon op vele verschillende niveaus in zowel de troposfeer als de stratosfeer worden verkregen.

Hoewel de onderlinge vergelijkingen tussen de ozonkolommen in de troposfeer die met verschillende methoden zijn gemaakt bemoedigend zijn, blijven er in sommige breedtegraden aanzienlijke verschillen bestaan. De bepaling van ozonkolommen in de troposfeer, een sleutelparameter voor de bewaking van de luchtkwaliteit, blijft dus een uitdaging waarin het BIRA zijn deskundigheid blijft investeren in validatie- en gegevensassimilatietechnieken.

 

Bronnen:

Wereldwijde kaarten data assimilatie technieken TROPOMI BASCOE en CAMS
Wereldwijde kaarten van de hoeveelheid ozon in de troposfeer (uitgedrukt als de verticale kolom tot aan de tropopauze, in Dobson-eenheden), in mei 2020, opgemaakt door gebruik te maken van twee benaderingen om gegevens te assimileren: TROPOMI-BASCOE-residuen ontwikkeld door DLR en het BIRA (bovenste paneel); en directe assimilatie door de Copernicus Atmosphere Monitoring Service (onderste paneel).