Over methaan weten we nog lang niet alles

SRON ontwikkelde verfijnd algoritmes voor Tropomi 

Bij klimaatverandering denkt iedereen meteen aan koolstofdioxide. Methaan is veel minder bekend, terwijl ook dit gas flink bijdraagt aan het broeikaseffect. Vanuit de ruimte speurt het Nederlandse onderzoeksinstrument Tropomi straks heel nauwkeurig naar methaan in onze atmosfeer. Daarvoor maakt Tropomi gebruik van geavanceerde hardware en al even geavanceerde software. Namens SRON Netherlands Institute for Space Research werkte Haili Hu mee aan het algoritme dat Tropomi in staat stelt om in weerkaatst zonlicht de vingerafdruk van methaan terug te vinden.

“We weten natuurlijk dat menselijke activiteiten als veeteelt en landbouw en de exploitatie van  fossiele brandstoffen leiden tot een sterke uitstoot van methaan. Maar we weten nog lang niet alles over dit krachtige broeikasgas”, zegt Haili Hu vanaf haar werkplek bij SRON in Utrecht. “In de huidige data zien we in de atmosfeer bijvoorbeeld fluctuaties in de hoeveelheid methaan die we niet altijd snappen. Er is behoefte aan een instrument dat methaan veel nauwkeuriger in kaart brengt. Dat is precies wat Tropomi gaat doen.”

Klimaatontwikkeling en luchtkwaliteit in beeld

Tropomi staat voor Tropospheric Monitoring Instrument, en daarnaast voor Nederlandse technologie en wetenschap van het allerhoogste niveau. Tropomi – onderdeel van ESA's Copernicus Sentinel 5P satelliet – vangt direct en weerkaatst zonlicht op en speurt daarin naar de vingerafdrukken van niet alleen methaan, maar ook die van koolstofmonoxide, stikstofdioxide, zwaveldioxide en ozon. Wat ontstaat is een gedetailleerd beeld van de wereldwijde klimaatontwikkeling en luchtkwaliteit, en dat dagelijks én in de hoogste resolutie ooit. De wetenschappelijke leiding van het project is in de handen van het KNMI en SRON.

Computertaal
Hu raakte vijf jaar geleden betrokken bij de ontwikkeling van Tropomi. “Ik ben speciaal voor dit project aangetrokken bij SRON. Ik heb een achtergrond als natuur- en sterrenkundige en veel ervaring met fysica, numerieke rekenmodellen en de ontwikkeling van software. Bij SRON ontwikkelden we modellen die heel nauwkeurig en snel uitrekenen wat de weg is die licht aflegt van de zon naar de satelliet, rekening houdend met de interactie met deeltjes in de atmosfeer. Dat was nodig om uit Tropomi’s metingen informatie over onze atmosfeer te halen.”

In het begin van het project was er veel overleg en afstemming nodig met KNMI en andere betrokken partijen om duidelijk te krijgen wat de operationele eisen aan de algoritmes zijn. Hu:  “Vervolgens ontwikkelde ik samen met collega's de algoritmes die de enorme datastroom aankunnen en die passen binnen een geautomatiseerd dataverwerkingssysteem. Behalve voor methaan leveren we bij SRON ook het algoritme voor koolstofmonoxide.  Met simulaties en echte data van andere satellieten hebben we vervolgens tests gedaan en de algoritmes verder verbeterd. Met onze algoritmes maken we de uiteindelijke data zo betrouwbaar mogelijk.”

'First light'
Het is ESA die de algoritmes uiteindelijk gebruikt om bruikbare data te destilleren uit de gegevens die Tropomi richting aarde stuurt. Hu: “Na de lancering op vrijdag 13 oktober, is het eerst wachten op 'first light'. Dat is het moment waarop Tropomi na de lancering voor het eerst bruikbare metingen verricht en gegevens naar beneden stuurt. Dat vind ik persoonlijk een heel spannend moment.”

Datastroom
Vervolgens breekt een periode aan van verdere kalibratie, waarin SRON en andere betrokkenen de binnenkomende gegevens bekijken en de algoritmes nog verder verfijnen. De berekeningen worden in opdracht van ESA gedaan door de German Space Operations Center te Oberpfaffenhofen en vragen aanzienlijke computerkracht. “De hoeveelheid data is simpelweg enorm, en dat is niet vreemd als je bedenkt dat Tropomi dagelijks in 15 orbits de hele aarde in kaart brengt, in pixels die ieder een gebied van 7 bij 7 kilometer laten zien. Het is een ononderbroken datastroom”, aldus Hu.

Doorontwikkelen
Een belangrijk deel van die datastroom komt ook terecht bij de onderzoekers van SRON, en uiteindelijk bij wetenschappers overal ter wereld. Hu: “En ook wij schakelen extra computercapaciteit in om het juiste beeld over methaan in de atmosfeer te krijgen. Zo maken we bijvoorbeeld gebruik van de computerfaciliteiten van SURFsara, de Nederlandse high-performance computing infrastructuur. Zo kunnen we sneller methaan hotspots identificeren en leren we hopelijk meer over de fluctuaties die we zien. Tegelijkertijd blijven we het algoritme doorontwikkelen.”

Hardware

Overigens ontwikkelde SRON niet alleen de algoritmes voor methaan en koolstofmonoxide. Het ruimteonderzoeksinstituut ontwikkelde samen met TNO geavanceerde hardware in de vorm van de immersed gratings voor Shortwave Infrared (SWIR) module van Tropomi. Deze  'verzonken tralies' zorgen ervoor dat het licht op een zeer effectieve manier afbuigt naar de spectrometer die het uiteindelijke speurwerk verricht. 

Hu: “Tropomi is zeker een van de meest aansprekende en grootschalige projecten binnen SRON, en heel veel collega's hebben hun expertise bijgedragen. Het is geweldig om eraan mee te mogen werken, en ik ben blij dat ik dat de komende jaren mag blijven doen. Met Tropomi is de continuïteit van data voor langere tijd verzekerd, en dat is precies wat we nodig hebben om meer te weten te komen over methaan.”

Over Tropomi
Tropomi is een samenwerking tussen Airbus Defence and Space Netherlands, KNMI, SRON en TNO, in opdracht van het NSO en ESA. Airbus Defence and Space Netherlands is hoofdaannemer voor de ontwikkeling van het instrument. De wetenschappelijke leiding is in handen van het KNMI en SRON. Tropomi wordt gefinancierd door het Ministerie van Economische Zaken, het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap en het Ministerie van Infrastructuur en Milieu.