Globalt kart over luftforurensning fremstilt ved hjelp av Envisats SCIAMACHY-instrument

ESAs Envisat er utstyrt med ti instrumenter. Den er verdens største satellitt for miljøovervåking, og ble skutt opp i februar 2002. SCIAMACHY-instrumentet (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) om bord i satellitten registrerer spekteret av sollys som trenger gjennom atmosfæren. Resultatene filtreres deretter for å finne spektralabsorpsjonssignaturer fra sporgasser i luften.

Nitrogendioksid (NO₂) er en hovedsaklig menneskeskapt gass, og overeksponering kan skade lungene og åndedrettet. Gassen spiller også en viktig rolle for atmosfærens kjemiske sammensetning fordi den forårsaker produksjon av ozon i troposfæren – den laveste delen av atmosfæren mellom åtte og 16 kilometer over jordoverflaten.

Nitrogendioksid dannes gjennom utslipp fra kraftverk, tungindustri og veitransport samt ved forbrenning av biomasse. Lynutladninger i luften danner nitrogenoksider naturlig, og det samme gjør mikrobiologiske prosesser i jordsmonnet.

Lokale målinger av nitrogendioksidinnholdet i atmosfæren utføres i mange vestlige industriland, men det er som regel langt mellom målestasjonene på bakken.

Satelittinstrumenter er den eneste muligheten for å utføre en effektiv global overvåking. Måling av nitrogendioksidinnholdet i troposfæren ble første gang demonstrert med GOME-prosjektet (Global Ozone Monitoring Experiment) på ESAs ERS-2. Men GOME var bare en begrenset forløper for det tysk-, nederlandsk- og belgiskfinansierte SCIAMACHY-systemet på Envisat.

Selv om de to instrumentene fungerer etter samme prinsipp, har GOME en begrenset romoppløsning på bare 320 x 40 km, sammenlignet med 60 x 30 km som er vanlig med SCIAMACHY. SCIAMACHY observerer også atmosfæren fra to forskjellige retninger – den ser både nedover (nadir) og fremover i bevegelsesretningen (rand-observasjoner) – og dekker et mye større spektralt område enn forgjengeren.

Forskergrupper fra universitetene i Bremen og Heidelberg i Tyskland, det belgiske rominstituttet (BIRA-IASB) og det meteorologiske instituttet i Nederland (KNMI) har ved hjelp av SCIAMACHY-data generert de mest nøyaktige kartene over vertikale nitrogendioksidsøyler i troposfæren som noensinne er laget.

«Fordi SCIAMACHY har høyere romoppløsning, kan vi se mange flere detaljer i disse globale bildene. Vi kan til og med skille ut enkeltbyer,» sier Steffen Beirle ved instituttet for miljøfysikk ved Universitetet i Heidelberg. Han har ledet arbeidet med kartet ovenfor.

«Høye, vertikale søyler med store forekomster av nitrogendioksid ligger over storbyer i hele Nord-Amerika og Europa, og finnes også på andre steder som f.eks. Mexico City i Mellom-Amerika og over en rekke kullfyrte kraftverk som er tett konsentrert på høysletten i østlige Sør-Afrika.

Dessuten er det svært høye konsentrasjoner over den østlige delen av Kina. Det forekommer også nitrogendioksid dannet ved forbrenning av biomasse over Sørøst-Asia og store deler av Afrika. Fartøysleder er synlige enkelte steder – se på Rødehavet og Det indiske hav mellom sørspissen av India og Indonesia. Skorsteinene på fartøyene som trafikkerer disse rutene, spyr ut store mengder NO₂ i troposfæren.

Dette kartet er generert ut fra gjennomsnittet av alle tilgjengelige data samlet inn i løpet av 18 måneder. Dette reduserer effekten av sesongvariasjoner med hensyn til brenning av biomasse og andre aktiviteter som avhenger av årstiden.»

Som GOME observerer SCIAMACHY-instrumentet ultrafiolett og synlig stråling samt stråling i nærheten av det infrarøde området. Den største delen av jobben utføres på bakken, der forskerne forsøker å finne svært svake mønstre av sporgassapsorpsjon i hele spekteret av reflektert lys, noe som kan sammenlignes med å lete etter en nål i en høystakk.

Metoden de bruker kalles differensiell optisk apsorpsjonsspektroskopi (DOAS), en komplisert filtreringsprosess som også benyttes for luftmåleinstrumenter på bakken. DOAS fjerner dominerende spektral «støy» fra luftpartiklenes Rayleigh-spredning av lyset (samme fenomen som gjør at himmelen ser blå ut) samt apsorpsjonsmønstre fra oksygen-, nitrogen- og vannmolekyler, som utgjør det meste av atmosfæren.

Når alt dette er fjernet, gjenstår et «signal» av smalere spektrale apsorpsjonsmønstre fra sporgass, som deretter må identifiseres ved hjelp av gjennomsnittsprøver. For SCIAMACHY-resultater er denne teknikken tilstrekkelig følsom til å påvise søyler med færre enn noen få deler nitrogendioksid per én milliard deler luft. For å gi et inntrykk av konsentrasjonen: Over svært forurensede urbane strøk som London, kan NO₂-konsentrasjonene være så høye som hundre deler per én milliard deler luft.

Nitrogendioksidkart som dette er produsert på grunnlag av informasjon fra nadir-observasjoner. NO₂-konsentrasjonen varierer kraftig gjennom troposfæren, mens nitrogendioksid er jevnt fordelt i stratosfæren, den øvre delen av atmosfæren. Nitrogendioksidnivåer målt over de mest fjerntliggende delene av Stillehavet benyttes som grunnverdi for en generell nitrogendioksidsøyle i stratosfæren. Denne verdien trekkes deretter fra den globale informasjonen for å beregne verdier for vertikale søyler i troposfæren.

«I fremtiden kan kanskje måleresultater fra dette og lignende instrumenter brukes for å lage kjemiske prognoser om vær og luftkvalitet,» fortsetter Beirle. «Foreløpig fokuserer vi på å bruke SCIAMACHY-resultatene for å kartlegge hvor mye nitrogendioksid som utvikles ved ulike prosesser – for eksempel ved forbrenning av fossilt brensel og biomasse og ved lynutladninger – spesielt fordi vi fremdeles vet svært lite om det siste.»

Om SCIAMACHY

SCIAMACHY er et spektrometer som kartlegger luften over et bredt bølgelengdeområde og registrerer sporgasser, ozon og lignende gasser, skyer og støvpartikler i hele atmosfæren. Instrumentet måler sollys som overføres, reflekteres og spres av jordatmosfæren eller overflater i det ultrafiolette og synlige bølgelengdeområdet eller nær det infrarøde området. Med en bane på 960 kilometers høyde dekkes hele kloden på seks dager.

Dette allsidige instrumentet er et nasjonalt bidrag til ESAs Envisat-prosjekt. Det er finansiert av den tyske regjeringen via det tyske romsenteret (DLR), den nederlandske regjeringen via det nederlandske rombyrået (NIVR) og den belgiske regjeringen via BIRA-IASB.

John Burrows ved instituttet for miljøfysikk ved universitetet i Bremen lanserte idéen om SCIAMACHY, og han leder nå prosjektet. SCIAMACHY er en del av en serie atmosfærespektrometere. Serien omfatter også GOME på ERS-2 og GOME-2-instrumentet, som vil bli skutt opp med den første MetOp-satellitten neste år.