13 MiNDER stikstofdi OxiDE BOvEN EuROpa DOOR MiliEuBElEiD EN ECONOMisCHE RECEssiE OMisatElliEtiNstRuMENt MEEt sterkste REDuCtiE in 2009 Begin 2012 verschenen kort na elkaar twee artikelen die afnemende stikstofdioxide ( ) concentraties boven Europa rapporteerden zoals gemeten vanuit de ruimte met satellietinstrumenten. Het eerste artikel, geschreven door Castellanos en Boersma 1, en gepubliceerd in Scientific Reports, laat zien dat de concentratie stikstofdioxide in de lucht boven Europa in 2010 op sommige locaties tot 50% gedaald is ten opzichte van 2005, met boven Nederland afnames tot 25%. Het tweede artikel, van de hand van De Ruyter de Wildt en anderen 2 (in Geophysical Research Letters), laat juist een aanvankelijke stijging zien in concentraties boven de drukst bevaren scheepvaartroutes, gevolgd door een afname in 2009. Beide artikelen leggen een verband tussen de gemeten snelle afname van in 2009 en de wereldwijde economische recessie van dat jaar. Maar wat zeggen deze resultaten nu eigenlijk over veranderingen in de luchtkwaliteit nabij de grond? K. FoLKerT BoerSma, geert C.m. vinken, PaTrICIa CaSTeLLaNoS, martijn De ruyter De WILDT & HeNK J. eskes* Satellietmetingen van concentraties Het met satellieten bepalen van de concentraties in de lucht is een relatief jonge techniek. Pas sinds de lancering van het Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) in 1995 is het mogelijk om vanuit de ruimte nabij de grond te meten. 3 Omdat er belangrijke verschillen bestaan tussen satellietmetingen en meer gangbare grondmetingen van
14 LUCHT IN UITvoerINg kennelijk is één ECONOMisCHE RECEssiE van ONgEvEER EEN jaar NEt zo EffECtiEf als vier jaar MiliEuBElEiD in HEt REDuCEREN van luchtvervuiling luchtvervuilende stoffen, gaan we hier dieper in op de meetmethode en op de representativiteit van de satellietmetingen. Figuur 1 en tabel 1 illustreren de belangrijkste verschillen tussen de grondmetingen zoals die bijvoorbeeld door het RIVM binnen het Landelijk Meetnet Luchtkwaliteit (LML) gedaan worden en de satellietmetingen met het Ozone Monitoring Instrument (OMI) van het KNMI. Het Nederlands/Finse OMIinstrument meet sinds 2004 als eerste in de wereld nauwkeurig en binnen een dag de wereldwijde verdeling van en andere aspecten van de samenstelling van de atmosfeer. Zonder twijfel het belangrijkste is het verschil in representativiteit tussen de meetmethoden. Grondstations meten de concentratie stikstofdioxide op leefhoogte (24 m), en geven daarmee een indicatie voor de blootstelling van de bevolking aan een vervuilende stof, althans ter plaatse. De satelliet meet de die zich tussen het aardoppervlak en de bovenkant van de atmosfeer bevindt er is meer tussen hemel en aarde. Omdat luchtvervuiling zich veelal in de onderste 2 km van de atmosfeer bevindt, meet de satelliet dus voornamelijk de verticaal geïntegreerde concentratie, oftewel de kolomdichtheid (in moleculen/cm 2 ), in de onderste 2 km. Tabel 1: verschillen tussen metingen van luchtvervuiling in de onderste luchtlagen door grondstations (rivm) en het satellietinstrument omi (KNmI). Methode Grondmeting (RIVM) Satellietmeting (OMI) Eenheid Concentratie aan de grond (μg/m 3 ) Troposferische kolom (02 km) (molec./cm 2 ) Voetafdruk 0.1 0.1 10 10 km 2 24 13 135 25 km 2 Sampling Lokaal, elk uur, alle condities Mondiaal, 13:30 uur lokale tijd, alleen wolkenvrije condities Beschikbaarheid Vanaf 1970 Vanaf 2004 Techniek (In situ) chemiluminescentie Absorptiespectroscopie (Remote sensing) Stoffen, NO, O 3, PM 10, HCHO, SO 2, O 3, aerosol optische diepte Dominante Interferentie HNO 3, PAN, Air mass factor meetprobleem Foutenbudget (individuele meting) ±10% ±30% Maar zelfs als satellietmetingen uitgedrukt worden in concentraties aan de grond, dan nog beslaat een OMIpixel een oppervlak van ten minste 24 13 km 2, zodat de satellietmetingen alleen ruimtelijk gemiddelde concentraties kunnen weergeven. Het zal met OMI niet mogelijk zijn om concentratieverschillen binnen een stad te detecteren. Wat ziet de satelliet dan wel? Dat wordt geïllustreerd door figuur 2 met daarin het gemiddelde van vijf jaar (20052009) troposferische metingen door OMI boven Europa. De kaart illustreert dat OMImetingen het hele continent bedekken en regionale verschillen in concentraties detecteren. Opvallend zijn de hot spots in Figuur 1: Schematische weergave van grondmetingen (rivm, LmL) en satellietmetingen (KNmI, omi) van stikstofdioxide in de lage atmosfeer en hun typische voetafdrukken. De meetwaarde van het grondinstrument is representatief voor de concentratie (mengverhouding ppbv, of massaconcentratie μg/m 3 ) binnen het volume aangegeven door de lichtblauwe stippellijn, en zal sterk afhangen van waar het instrument zich bevindt. De omikolommeting is representatief voor de verticaal geïntegreerde No 2 concentratie over een gebied van 25 15 km 2 (breedte lengte); het door de donkerblauwe stippellijn aangegeven volume. boven Londen, de Randstad, het Roergebied, de Povlakte en Moskou. Maar ook afgelegen bronnen, zoals de kolengestookte energiecentrale Compostilla II in NoordwestSpanje zijn duidelijk zichtbaar op de kaart, net als Hoe verhouden concentraties zich tot verticale kolommen? Satellietkolomdichtheden zijn niet direct vergelijkbaar met de grondconcentraties, maar door eenvoudige aannames te doen over grenslaagdikte en over de verticale verdeling van de concentraties in de grenslaag, zijn grondconcentraties en kolommen wel in elkaar uit te drukken. Zo geldt: 1 μg/m 3 0,5 ppbv aan de grond. Wanneer we deze concentratie integreren over de diepte van de grenslaag, rekening houdend met de afname in luchtdichtheid, krijgen we een kolomwaarde van 1,25 10 15 moleculen/cm 2 (uitgaande van een 1 km diepe grenslaag en een mengverhouding die niet verandert met de hoogte). Zo zijn de satellietgegevens toch te relateren aan concentraties aan de grond, en bruikbaar voor bijvoorbeeld trendanalyses. TIJDSCHrIFT LUCHT NUmmer 3 JUNI 2012
15 DE kracht van DE OMiWaaRNEMiNgEN zit HEM in DE volledige geografische DEkkiNg, EN in DE ROBuustE MEEtMEtHODE DiE geen ONDERsCHEiD Maakt tussen verschillende landen Of REgiO s de scheepvaartroute tussen Cairo en het Kanaal, die met name in de Middellandse Zee en rondom het Iberisch schiereiland als een spoor van luchtvervuiling te zien is. OMI meet dus zowel de hot spots als de achtergrondluchtvervuiling. De meetfout van een afzonderlijke satellietmeting wordt geschat op 2030%. De techniek van absorptiespectroscopie is erg precies om de absorptie langs het fotonpad van de zon, via de atmosfeer, naar de satelliet nauwkeurig (precisie beter dan 5%) te bepalen. Maar bij het omzetten van dit fotonpad naar de verticaal geïntegreerde kolom, moeten aannames gedaan worden over de toestand van de atmosfeer. Deze aannames onder andere over het albedo van het aardoppervlak, en over de verticale verdeling van kunnen leiden tot meetfouten van 2030%. Dit wordt bevestigd door vergelijkingen tussen de satellietkolommen en onafhankelijke metingen gedaan vanaf vliegtuigen. 4 Door het gemiddelde van veel satellietmetingen te gebruiken in onze analyses, kunnen we het nietsystematische deel van deze meetfout tot verwaarloosbare proporties terugbrengen, maar dan nog zal een zekere systematische fout overblijven. Op grond van een gedetailleerde studie 5 naar foutenvoortplanting in onze meetmethode schatten we dat de resterende fout ongeveer 1020% bedraagt. Minder NO2 door milieumaatregelen en recessie De kracht van de OMIwaarnemingen zit hem in de volledige geografische dekking, en in de robuuste meetmethode die geen onderscheid maakt tussen verschillende landen of regio s. Daarom zijn OMImetingen bij uitstek geschikt om op onafhankelijke wijze toezicht te houden op trends in luchtvervuiling boven heel Europa. Daarnaast zijn de satellietgegevens vaak sneller beschikbaar dan de officieel gerapporteerde cijfers aan bijvoorbeeld het Europese Milieu Agentschap (EMA). Op basis van Figuur 2: gemiddelde (troposferische) No 2 kolom voor de periode 20052009 zoals gemeten door omi. alleen metingen gedaan in onbewolkte omstandigheden zijn gebruikt. de OMIsatellietmetingen hebben wij daarom jaarkaarten gemaakt van de (verticaal geïntegreerde) concentraties boven Europa. De kaarten in figuur 3 1 tonen aan dat de vervuiling boven Europa van jaar tot jaar overwegend afneemt, met een opmerkelijk sterke afname in het jaar 2009. Tot 2008 laten de OMImetingen een gestage afname van enkele procenten per jaar zien. Deze afname is het gevolg van maatregelen die de uitstoot van luchtvervuiling moeten terugdringen, zoals schonere automotoren en specifieke maatregelen voor de industrie. Maar op de kaarten (vooral die van het jaar 2008) is ook het in gebruik nemen van kolengestookte elektriciteitscentrales in Polen (Ostraleka) en Turkije (Hamitabat) terug te vinden in de vorm van sterk toenemende concentraties, evenals een opmerkelijke verbetering van de luchtkwaliteit (70% minder ) nabij de Compostilla IIcentrale in NoordwestSpanje. De afnames in de gemeten concentraties komen enigszins overeen met de door nationale instanties aan de EMA (Europees Milieu Agentschap) gerapporteerde afnames in NO x emissies op basis van statistische gegevens. Zo rapporteerden Nederland en België bijvoorbeeld een afname in NO x emissies van 4,1%/jaar in de jaren tot aan de recessie, en schatten wij op basis van de satellietmetingen dat de concentraties boven Nederland met 2,7%/jaar en boven België met 1,6%/ jaar daalden. De afname van concentraties boven Europa kunnen niet geheel worden verklaard door de invoering van milieumaatregelen alleen. Onze analyse wijst uit dat de afnames in 2009 voor een groot deel veroorzaakt zijn door de economische recessie in dat jaar. Door de recessie was er in 2009 minder economische activiteit (verkeer,
16 LUCHT IN UITvoerINg Figuur 3: Jaargemiddelde omi (troposferische) No 2 kolom voor 2005 (linksboven), en de relatieve verandering voor 20062010 ten opzichte van 2005. Wit: geen verandering, rood: toename, blauw: afname. Locaties aangegeven in grijs kenmerken zich door No 2 concentraties onder de grenswaarde (1 10 15 molec.cm 2 ) nodig voor een relevante statistische analyse. industriële productie), zodat er minder vervuilende stoffen uitgestoten zijn. Wij schatten dat de achtergrondconcentraties in Amsterdam en Rotterdam met 3%/jaar respectievelijk 2%/jaar gedaald zijn (ten opzichte van 2005), maar dat alleen al in 2009 de afname op 9% en 14% lag. Kennelijk is één economische recessie van ongeveer een jaar net zo effectief als vier jaar milieubeleid in het reduceren van luchtvervuiling. Deze bevindingen zijn relevant omdat ze aantonen dat realistische emissiescenario s (veel gebruikt in klimaat en luchtkwaliteitsmodellen) dus niet simpelweg een lineaire trend volgen, maar juist het samenspel van milieubeleid en (soms snelle) economische veranderingen weerspiegelen. Luchtvervuiling door zeescheepvaart Opvallend in figuur 3 zijn de toenames in 2006, 2007 en 2008 boven het Kanaal, gevolgd door afnames in 2009 en 2010. Wij hebben daarom ook de veranderingen in luchtvervuiling boven een aantal scheepvaartroutes bestudeerd. De satellietmetingen laten zien dat de concentraties boven scheepvaartroutes in de Middellandse Invloed van meteorologische condities Naast NO x emissies kunnen ook meteorologische condities de concentraties in de atmosfeer beïnvloeden. is een kortlevend gas (de geschatte levensduur van in de lage atmosfeer loopt uiteen van enkele uren tot een dag), reden waarom de satellietkaarten de bronnen van luchtvervuiling zo duidelijk laten zien. De verblijftijd van op een zekere locatie wordt bepaald door de snelheid waarmee chemisch afgebroken wordt, en door de snelheid waarmee wegwaait. In onze studie zijn we nagegaan (a) in hoeverre meteorologische veranderingen samenvielen met de snelle afnames in 2009, en (b) in hoeverre een trend in meteorologische condities de door ons gevonden trends heeft kunnen onderdrukken of versterken. Als indicator voor fotochemie hebben we weergegevens over de instraling van de zon aan het aardoppervlak, en als indicator voor transport hebben we de windsnelheid en windrichting (op 500 m hoogte) gebruikt. Tussen 2004 en 2010 is de intensiteit van het zonlicht in de onderste laag van de atmosfeer met ongeveer 1%/jaar toegenomen (als gevolg van afnemende concentraties fijn stof 6 ), maar voor windrichting of windsnelheid zijn geen trends vast te stellen. In een afzonderlijke trendanalyse die rekening houdt met deze variabiliteit in zonnestraling en in wind, vinden we nagenoeg dezelfde trends als bij verwaarlozing van de meteorologische termen. Zee, de Rode Zee, de Indische Oceaan en in de ZuidChinese Zee verdubbelden tussen 2004 en 2008, gevolgd door een scherpe daling in 2009, die opnieuw samenhing met de economische recessie die een sterke krimp in de internationale handel tot gevolg had. Door de wereldwijde economische expansie van de afgelopen decennia is het transport van goederen over zee sterk gestegen. Zowel de hoeveelheid vervoerde goederen als het verbruik van brandstof door zeeschepen zijn tot 2008 gemiddeld met meer dan 3%/jaar toegenomen. Zeeschepen gebruiken brandstof van zeer lage kwaliteit (stookolie) en omdat de scheepvaartsector tot nu toe gevrijwaard is gebleven van serieuze milieumaatregelen, is deze sector een steeds belangrijker bron geworden van stikstofoxiden en zwavel. Modelstudies wijzen uit dat emissies door schepen verantwoordelijk zijn voor ongeveer 10% van concentraties in de kustgebieden van Nederland, België, Frankrijk en Zuid Engeland. Juist deze landen laten zwakkere trends in zien (OMI : 2,7%/jaar en 1,6%/jaar voor Nederland en België, EMA NO x emissies: 4,1%/ jaar), dan hun officieel gerapporteerde NO x emissies doen vermoeden. De emissies van de zeescheepvaart kunnen dit deels verklaren. Figuur 4 2 laat zien dat trends in de scheepvaartemissies vanuit satellieten duidelijk te detecteren zijn. De trend in concentraties boven scheepvaartroutes is stijgend, maar vanaf 2008 trad een scherpe daling op die rechtstreeks verband houdt met de mondiale economische recessie. Figuur 4 laat zien dat de vervuiling gelijke tred houdt met de door het Centraal Plan Bureau berekende volumes van per zeeschip verhandelde goederen. TIJDSCHrIFT LUCHT NUmmer 3 JUNI 2012
17 Figuur 4: Scheepvaartbijdrage aan troposferische No 2 kolom (zwarte lijn) gedurende de periode 19962010, vergeleken met het handelsvolume dat het Suezkanaal passeerde (gele lijn), en de handelsvolumes voor enkele andere gebieden. De handelsvolumes zijn geïndexeerd t.o.v. het jaar 2000 (waarde 100 op de rechteras). De No 2 kolommen zijn gemeten door de instrumenten gome (1996 2002) en SCIamaCHy (20032010) en gemiddeld over de vier afzonderlijke scheepvaartroutes. Conclusie Ondanks de verschillen met de traditionele methoden om vervuiling aan de grond te meten, geven recent ontwikkelde satellietinstrumenten een nieuw en uniek beeld van het verloop van luchtvervuiling, zowel in ruimte als tijd. Hoewel de satellietmetingen het oplossend vermogen missen om de concentraties op straatniveau te meten, zijn ze zeer geschikt voor het in kaart brengen van de regionale achtergrondconcentraties, ook in vervuilde gebieden. Daarnaast geven de satellietmetingen belangrijke informatie over vervuiling in gebieden die door andere meetmethoden niet of nauwelijks bemeten worden, zoals de Noordzee en het Kanaal. Door het consequent toepassen van één enkele meetmethode geven de satellietbeelden bovendien een robuust beeld van trends in luchtvervuiling voor verschillende gebieden. Dit is geen overbodige luxe gezien de verschillen in emissierapportagetechnieken tussen verschillende landen. Onze satellietmetingen geven gemiddeld een duidelijke daling in boven Europa te zien. Tussen 2004 en 2008 zijn concentraties met 525% afgenomen als gevolg van milieubeleid, maar boven de scheepvaartroutes steeg de vervuiling juist door het ontbreken van milieuregels voor zeeschepen. In 2009 daalde de vervuiling overal in Europa scherp. De diepe economische recessie van dat jaar leidde tot snel verminderde economische activiteit en daardoor minder uitstoot van stikstofoxiden: de gemeten hoeveelheid daalde in één jaar met 1530% ten opzichte van 2004. Voor de toekomst ligt een belangrijke uitdaging in het beter vertalen van de satellietmetingen van kolommen naar concentraties die representatief zijn nabij de grond (en vice versa). Gedetailleerde metingen van de verticale verdeling van, bij voorkeur in de nabijheid van grondstations en gedurende een satellietmeting, kunnen hierbij helpen. Ook zullen metingen van het TROPOMIinstrument (voetafdruk: 8 8 km 2 ), dat voor lancering in 2015 gepland staat, bijdragen aan een nauwere aansluiting van satelliet en grondmeting. Daarnaast is meer inzicht in emissies en atmosferische chemie vereist om ook antwoorden te kunnen geven op vragen naar een mogelijke toename in de fractie in de uitstoot van het wegverkeer en naar de rol van mogelijke veranderingen in de atmosferische NO: verhouding. 1. 2. 3. 4. Referenties Castellanos, P. & Boersma, K.F. (2012). Reductions in nitrogen oxides over Europe driven by environmental policy and economic recession. Sci. Rep., 2, 265; DOI:10.1038/srep00265. De Ruyter de Wildt, M., Eskes, H. & Boersma, K.F. (2012). The global economic cycle and satellitederived trends over shipping lanes, Geophys. Res. Lett., 39, L01802, doi:10.1029/2011gl049541. Velders, G.J.M., Granier, C., Portmann, R.W., Pfeilsticker, K., Wenig, M., Wagner, T., Platt, U., Richter, A. & Burrows, J.P. (2001). Global tropospheric column distributions: Comparing threedimensional model calculations with GOME measurements, J. Geophys. Res., 106, 1264312660. Hains, J.C., Boersma, K.F., Kroon, M., Dirksen, R.J., Volten H. et al. (2010). Testing and improving OMI DOMINO tropospheric using observations 5. 6. from the DANDELIONS and INTEXB validation campaigns, J. Geophys. Res., 115, D05301, doi:10.1029/2009jd012399. Boersma, K.F., Eskes, H.J., Dirksen, R.J., A, R.J. van der, Veefkind, J.P. et al. (2011). An improved tropospheric retrieval algorithm for the Ozone Monitoring Instrument, Atm. Meas. Tech., 4, 1905 1928, doi:10.5194/amt419052011. Ruckstuhl, C., Philipona, R., Behrens, K., CollaudCoen, M., Durr, B. et al. (2008). Aerosol and cloud effects on solar brightening and the recent rapid warming, Geophys. Res. Lett., 35, L12708, doi:10.1029/2008gl034228. * K. Folkert Boersma, Geert C.M. Vinken, Patricia Castellanos, Martijn de Ruyter de Wildt & Henk J. Eskes werken bij het KNMI.