Elke week publiceert het SRON-team een wereldkaart met daarop de superuitstoters van methaan gedetecteerd met het Nederlandse ruimte-instrument TROPOMI. Dat kunnen lekken zijn bij olie- of gasinfrastructuren, of bijvoorbeeld uitstoot van vuilstortplaatsen. Samen heeft dit vrijgekomen methaan een klimaatimpact die twee keer zo groot is als de totale broeikasgasuitstoot van Nederland. Methaan is na CO₂ het belangrijkste broeikasgas en veroorzaakt een derde van de klimaatopwarming. "Wij maken zichtbaar wat onzichtbaar is", vertelt Ilse Aben, senior onderzoeker bij Space Research Organisation Netherlands (SRON) en bijzonder hoogleraar aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

TROPOMI staat voor Tropospheric Monitoring Instrument. Het is een geavanceerd meetapparaat voor klimaat- en luchtkwaliteitsonderzoek dat in oktober 2017 gelanceerd werd aan boord van de Europese Sentinel-5 Precursor-satelliet. Projecten van onder meer de Verenigde Naties en de Europese Unie gebruiken TROPOMI's informatie om methaanlekken te laten dichten, na een benadering via diplomatieke weg en zo de uitstoot van dit broeikasgas tegen te gaan. "Het is goed dat dat onder de vlag van de VN gebeurt. Wij zijn als wetenschappers namelijk niet de partij die kan optreden", zegt Aben.

Afgelopen najaar ontving Aben de Stevinpremie, als een van de initiatiefnemers van TROPOMI en omdat zij zich ervoor inzet dat de metingen gebruikt worden voor het tegengaan van klimaatverandering. De Stevinpremie is – samen met de Spinozapremie – de hoogste onderscheiding in de Nederlandse wetenschap en bedraagt 1,5 miljoen euro die de laureaten naar eigen inzicht mogen besteden aan onderzoek. "Het is een enorme eer en ik zie het echt als een prijs voor het vakgebied en voor iedereen die heeft bijgedragen aan TROPOMI", zegt Aben.

Wereldleider

Aben heeft een achtergrond in de fysische chemie waar ze zich bezighield met spectroscopie, waarbij stoffen onderzocht worden aan de hand van hun interactie met elektromagnetische straling. In 1995, na haar promotieonderzoek en een postdoc, ging ze bij SRON werken. "Toen kwam ik voor het eerst in aanraking met onderzoek vanuit de ruimte", zegt ze.

"In die periode waren atmosfeermetingen voor luchtvervuiling, de ozonlaag en klimaatgassen met satellieten nieuw terrein voor Europa", vertelt Aben. Dat begon met de ruimte-instrumenten GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) en SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography), die respectievelijk in 1995 en 2002 gelanceerd werden. Bij de ontwikkeling van beide instrumenten was Nederland sterk betrokken.

"In de drie decennia sindsdien heeft Nederland een reputatie opgebouwd in het atmosfeeronderzoek met satellietinstrumenten. Dat geldt zowel voor de wetenschappelijke kant als voor de industriële kant van het ontwerpen en bouwen van deze instrumenten", zegt Aben. "Inmiddels zijn we wereldleider op dit gebied. Ik had de unieke mogelijkheid dat ik het vakgebied binnenrolde in die beginperiode en kon meegroeien."

Vingerafdrukken

Na SCIAMACHY volgden OMI (Ozone Monitoring Instrument) en TROPOMI. "Dat zijn beide bijna volledig Nederlandse instrumenten", zegt Aben. De reden dat deze instrumenten een grote stap vooruit betekenden voor het atmosfeeronderzoek, is dat het zogenaamde imaging spectrometers zijn. Dat betekent dat we op een strook op aarde van zo'n 2600 kilometer breed (oost-westrichting) en 5,5 kilometer lang (noord-zuidrichting) een paar honderd metingen tegelijk doen. De voorgangers (GOME en SCIAMACHY) waren scannende instrumenten die slechts een enkele meting tegelijk konden doen; dat is een stuk minder efficiënt. Het zijn spectrometers met hoge spectrale resolutie en een groot golflengtebereik – van een deel van het ultraviolet tot het zichtbare licht en voor TROPOMI ook het nabije en kortegolfinfrarood. "Daarmee kunnen we veel gassen uit de atmosfeer met hoge nauwkeurigheid in kaart brengen vanuit de ruimte."

Impressie van de de satelliet Sentinel-5P met TROPOMI aan boord. Beeld: ESA/ATG medialab

"Bij deze metingen gebruiken we zonlicht als gratis lamp", legt Aben uit. "Dat licht gaat door de atmosfeer heen en onderweg worden allerlei golflengtes door verschillende moleculen geabsorbeerd. Zo laten gassen elk hun eigen vingerafdruk in dat spectrum achter. Dat licht kaatst daarna terug naar de ruimte en wordt gemeten door de spectrometer aan boord van de satelliet."

De spectrometer rafelt vervolgens al die golflengtes uit elkaar en registreert de intensiteit van het licht bij de verschillende golflengtes. "In die metingen zijn die vingerafdrukken van de verschillende stoffen in de atmosfeer terug te vinden", zegt Aben. "En de hoeveelheid licht die is weggenomen vertelt ons hoeveel moleculen er van dat gas zijn. Dat vormt de basis voor de metingen."

Laaghangend fruit

Bij de ontwikkeling, bouw en kalibratie van TROPOMI, de meest recente Nederlandse spectrometer in de ruimte die de gassen in de atmosfeer in kaart brengt, waren Airbus, en TNO Space betrokken, in opdracht van het voormalige Netherlands Space Office (sinds dit jaar: Netherlands Space Agency). KNMI en SRON verzorgden de wetenschappelijke kant. SRON heeft daarbij speciale aandacht voor detectie van de kortegolfinfraroodstraling. "Daarmee meten we koolmonoxide en methaan", zegt Aben. Koolmonoxide is vooral een indicatie van luchtvervuiling, alhoewel het gas indirect ook invloed heeft op de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer. "Toen we begonnen met nadenken over TROPOMI was vooral luchtkwaliteit een issue. Later verschoof de focus meer naar klimaat."

Hoewel TROPOMI ontworpen was om methaan waar te nemen, was het een verrassing dat het instrument zo veel duidelijk gelokaliseerde grote lekken van dit sterke broeikasgas zag, zegt Aben. "Ik zeg 'lekken', maar dat zijn het niet altijd in de letterlijke zin. Soms wel, als het gaat om onbedoelde lekken waar methaan uitstroomt bij olie- of gasinstallaties. Maar het kunnen bijvoorbeeld ook afvalstortplaatsen zijn waarin organisch materiaal ligt te rotten zonder dat er zuurstof bijkomt waardoor er methaan ontstaat."

Mede door de TROPOMI-metingen kwamen methaan en de superuitstoters op de politieke agenda. "Ik denk dat het heeft geholpen om de politieke aandacht ervoor aan te wakkeren", zegt Aben. Dat uitte zich in 2021 bijvoorbeeld in de Global Methane Pledge, een internationaal verdrag om methaanuitstoot met 30 procent te reduceren voor 2030 (ten opzichte van 2020).

"Met de methaanlekmetingen heeft de politiek iets concreets in handen dat ze kunnen aanpakken. En methaan – en zeker die grote methaanlekken – is laaghangend fruit als je klimaatverandering wilt tegengaan", zegt Aben. Het is namelijk een sterker broeikasgas dan CO₂, en het blijft veel korter in de atmosfeer. Na zo'n tien jaar is het afgebroken. "Als we er nu iets aan doen, dan hebben we daar dus binnen tien jaar profijt van. Het kan op korte termijn wat lucht geven. Maar met alleen methaan aanpakken, gaan we het natuurlijk niet redden – we moeten ook CO₂-uitstoot tegengaan."

Vals-positieven

Met TROPOMI hebben we een instrument in handen dat wereldwijd de aardatmosfeer kan afspeuren naar methaanlekken. Maar om nuttig te zijn, moeten die metingen wel nauwkeurig genoeg zijn, vertelt Aben. Hoewel methaan maar tien jaar in de atmosfeer blijft, is dat nog steeds een lange tijd als je lekken wilt opsporen. Dat komt doordat het broeikasgas dan namelijk tien jaar lang de tijd heeft om zich over de aardbol te verspreiden – meegenomen door de wind. Daardoor meet je overal in de atmosfeer wat methaan, waarvan het onduidelijk is waar het ooit vandaan kwam. "Als het instrument naar een bepaald gebied kijkt, meet het de hele kolom methaan onder de satelliet, terwijl we vooral geïnteresseerd zijn in de uitstoot aan het aardoppervlak", zegt Aben. "We zoeken dus naar een klein extra signaal bovenop een hoge achtergrond. Om die kleine gradiënten te vinden, hebben we heel nauwkeurige metingen nodig. Dat is de uitdaging."

Achtergrondbeeld geeft een TROPOMI-waarneming van een olieproductieveld in Algerije met lokaal verhoogd methaan (geel, rood). Inzoomen met de twee Sentinel-2-satellieten laat zien dat er drie methaanbronnen zijn. De drie beelden van methaanuitstoot door Sentinel-2 zijn gereproduceerd met toestemming van ESRI.

Een andere uitdaging is de hoeveelheid data. TROPOMI bekijkt elke dag de gehele aardatmosfeer. "Elke individuele meting kijkt daarbij naar een gebiedje van 5 bij 7 kilometer – ongeveer het oppervlak van een stad. Dat zijn zo'n 20 miljoen metingen per dag", zegt Aben. "Een deel daarvan valt af doordat we niet door bewolking heen kunnen kijken. Maar dan houd je nog steeds een paar miljoen datapunten per dag over. Om die snel genoeg te kunnen analyseren, gebruiken we een machineleermodel dat getraind is op geselecteerde TROPOMI data met en zonder superuitstoters."

"Alle detecties die daaruit komen, controleren we met twee mensen", benadrukt Aben. "We willen namelijk voorkomen dat we door vals-positieven zogenaamde lekken rapporteren die er niet zijn. Daardoor kan het vertrouwen in dit soort data namelijk rap afnemen. Dat maakt het arbeidsintensief werk."

Afvalmanagement

Superuitstoters identificeren kan TROPOMI niet alleen. "De metingen van 5 bij 7 kilometer zijn essentieel om wereldwijd de superuitstoters in kaart te brengen", zegt Aben. "Maar op die schaal kun je nog niet zeggen wat er precies staat te lekken. Daarom werken we samen met onder meer een private partij in Canada, genaamd GHGSat. Die heeft kleine satellieten die een minder groot gebied bekijken, maar methaan wel kunnen meten met een resolutie van 25 meter. Wij geven de locaties door waar TROPOMI hotspots ziet en zij kunnen vervolgens inzoomen en ons vertellen waar een lek precies zit. Dat levert concrete data op die bijvoorbeeld de Wereldbank en de International Methane Emission Observatory (IMEO) van de VN kunnen gebruiken om de verantwoordelijke bedrijven te verzoeken er iets aan te doen."

Aben en haar collega's monitoren ook afvalstortplaatsen in het mondiale zuiden en delen die informatie met lokale partijen die iets aan de uitstoot willen doen. "Zij kunnen onze data gebruiken om lokale autoriteiten te overtuigen en om financiering te krijgen", zegt Aben. "Die uitstoot terugdringen is namelijk een lang en duur proces. Het terugdringen van methaanuitstoot van stortplaatsen is lastiger dan bij gas- en olie-industrielekken doordat je eigenlijk moet zorgen dat er geen organisch materiaal meer gedumpt wordt. Dat betekent dat je een heel nieuwe manier van afvalmanagement moet ontwikkelen." Deze stortplaatsen aanpakken, is wel belangrijk. Afval vormt namelijk 20 procent van de door mensen veroorzaakte methaanuitstoot.

Nieuwe deuren

Inmiddels werken onder meer ISISPACE, KNMI, TNO en SRON aan de volgende atmosfeermissie genaamd TANGO (Twin Anthropogenic Greenhouse Gas Observers). "Dat is ook weer een Nederlands project", vertelt Aben. "Daarmee krijgen we inzoomcapaciteit voor het meten van methaan, CO₂ en NO₂ in het publieke domein, zodat we daarvoor niet afhankelijk zijn van private partijen. En die nieuwe instrumentatie zal nieuwe deuren openen, zoals TROPOMI dat ook deed. Wat nu mogelijk is op het gebied van methaanobservaties had immers niemand durven dromen bij de lancering."

Voorlopig blijven Aben en haar collega's dus werken aan het verzamelen van data om de methaanuitstoot terug te dringen. Dat doen ze met veel enthousiasme. "Het is heel motiverend om met detectie- en analysetechnieken aan het voorfront van het onderzoek bezig te zijn en de data tegelijkertijd ook te kunnen inzetten voor iets dat direct verschil maakt."

Ben je natuurkundedocent en wil je in je les aan de slag met TROPOMI? Bekijk dan dit artikel op Natuurkunde.nl.