Regelmatige luchtkartering van NO2 boven Berlijn en Boekarest

Het BIRA heeft onderzoeksvliegtuigen in Duitsland en Roemenië uitgerust met verschillende versies van het intern ontwikkelde remote sensing-instrument SWING. We hebben deze toestellen gebruikt om in 2021 en 2022 de NO2-verdeling boven Berlijn en Boekarest op regelmatige basis in kaart te brengen. Deze metingen onthullen de stedelijke emissies van NOx met een hoge ruimtelijke resolutie, waardoor hotspots zoals elektriciteitscentrales kunnen worden onderscheiden van de meer diffuse verkeers- en verwarmingsbronnen, de jaarlijkse variaties van de NOx-fluxen kunnen worden bestudeerd en het satellietinstrument voor luchtkwaliteit TROPOMI kan worden gevalideerd.

Luchtvervuiling gezien vanaf een satelliet…

NO2 is een luchtverontreinigende stof met directe schadelijke gevolgen voor de gezondheid. Door zijn rol in de atmosferische chemie is het ook een voorloper van andere belangrijke luchtkwaliteitsindicatoren zoals oppervlakte ("slechte") ozon en zwevende deeltjes. In stedelijke gebieden op gemiddelde hoogte is NO2 voornamelijk afkomstig van

  • verbrandingsmotoren
  • de productie van warmte en elektriciteit op basis van fossiele brandstoffen.
     

Door zijn absorptie in het zichtbare spectrum is het mogelijk NO2 op afstand te kwantificeren. Dit gebeurt vanaf de grond, vanuit vliegtuigen of vanuit de ruimte, met behulp van de zogenaamde DOAS-techniek (Differential Optical Absorption Spectroscopy).

De DOAS-methode wordt gebruikt om dagelijkse wereldwijde NO2-kaarten te produceren met het TROPOMI-satellietinstrument aan boord van de S5p-satelliet. Dergelijke kaarten werpen licht op de NO2-verdeling op wereldschaal, maar de ruimtelijke resolutie is grof en de fijnschalige verdeling kan niet worden gedetecteerd (5,5x3,5 km2).

Bovendien zijn de kalibratie en validatie van de satellietmetingen cruciaal voor het optimaliseren van de gegevenskwaliteit en dus voor het nemen van gefundeerde beslissingen ter verbetering van de luchtkwaliteit.

… lijkt duidelijker vanuit een vliegtuig

In het kader van de validatie van TROPOMI/S5P heeft het BIRA het compacte SWING-instrument ontwikkeld. Dit toestel meet nadir UV-zichtbare spectra door de lucht onder het vliegtuig loodrecht op de vliegrichting te scannen, volgens het whiskbroom-principe.

Met dezelfde DOAS-techniek als TROPOMI produceert het ook kaarten van NO2, maar met een veel hogere ruimtelijke resolutie van doorgaans 150 m. SWING is ontwikkeld met het oog op het gewicht en het volume van onbemande luchtvaartuigen (UAV's) en is dus zeer compact. Dit vergemakkelijkt de integratie in grotere bemande vliegtuigen, eventueel met een set andere wetenschappelijke instrumenten.    

Wij hebben verschillende onderzoeksvliegtuigen uitgerust met intern ontwikkelde instrumenten van het SWING-type:

  • een Cessna-207 en een motorzweefvliegtuig van de Vrije Universiteit Berlijn (FUB, Duitsland),
  • een Britten-Norman 2 van het Nationaal Instituut voor Lucht- en Ruimtevaartonderzoek "Elie Carafoli" (INCAS, Roemenië).

In 2021 en 2022 ondersteunde het Europees Ruimtevaartagentschap (ESA) SWING-experimenten voor regelmatige NO2-metingen vanuit de lucht boven Berlijn (12 vluchten) en Boekarest (18 vluchten).

Deze unieke dataset bestrijkt de vier seizoenen. Dit maakt de data bijzonder waardevol voor TROPOMI-validatie, maar ook voor andere toepassingen zoals de kwantificering van de stedelijke NO2-flux, aangezien deze aanzienlijk varieert in de loop van het jaar.

Vergelijking detail in NO2-kaart verkregen door SWING en TROPOMI op 12/11/2022
SWING-kaart van NO2 afkomstig van het FUB-motorzweefvliegtuig, bovenop de TROPOMI-kaart van dezelfde dag (12 november 2022) geplaatst. Door de hogere resolutie van de SWING-kaart is met name de pluim van de elektriciteitscentrale Reuter West te zien (noordelijke stip).
SWING-kaarten van NO2 over Boekarest in 2021
SWING-kaarten van NO2 van de INCAS BN-2 boven Boekarest opgenomen tussen juli en november 2021. De NO2-niveaus variëren met de seizoenen en nemen toe in de winter als gevolg van de grotere bronnen (verwarming en elektriciteitsproductie) en de langere levensduur van NO2 bij lagere temperaturen.