Maailmanlaajuinen typpidioksidikartta

Ihmisen toiminta näkyy selvästi Envisatin tuottamassa ilmansaastekartassa

13 Lokakuu 2004

Envisat-ympäristösatelliitissa olevan SCIAMACHY-havaintolaitteen 18 kuukauden aikana keräämistä tiedoista on pystytty tekemään korkearesoluutioinen typpidioksidin määrää maailmanlaajuisesti esittävä kartta. Se näyttää selvästi, miten ihmisen toiminta vaikuttaa ilmanlaatuun.

Euroopan avaruusjärjestön helmikuussa 2002 laukaisema Envisat on maailman suurin ympäristönseurantasatelliitti, ja siinä on kymmenen eri tavoilla maan pintaa, meriä, jäätiköitä ja ilmakehää mittaavaa laitetta. Satelliitin SCIAMACHY-havaintolaite kirjaa ilmakehän läpi tulevan auringonvalon spektrin. Tuloksista seulotaan sen jälkeen tarkasti ilmakehässä olevien merkkikaasujen 'sormenjäljet' absorptiospektrissä. Laitteen nimi tulee sanoista Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography, eli 'pyyhkäisykuvantava ilmakehäkartoituksen absorptiospektrometri'.

Valtaosa typpidioksidista (NO2) on ihmisen tuottamaa, ja liiallinen altistuminen sille aiheuttaa keuhkovaurioita ja hengitysvaikeuksia. Typpidioksidilla on merkittävä osa myös ilmakehän kemiallisissa prosesseissa, sillä se aiheuttaa otsonin syntymisen troposfäärissä, joka on ilmakehän alin osa ja ulottuu 8-16 kilometrin korkeuteen maanpinnasta.

NO2-pitoisuudet Euroopassa - lähennä yksityiskohtiin

Typpidioksidia syntyy voimaloiden, raskaan teollisuuden ja tieliikenteen päästöistä sekä biokaasun poltossa. Salamointi tuottaa ilmakehään luonnostaan typpioksideja, samoin maaperän mikrobitoiminta. Monissa läntisissä teollisuusmaissa tehdään paikallisia ilmakehän typpidioksidin pistemittauksia, mutta maanpinnan tason tietolähteet antavat yleensä vähän tietoa.

Tehokas maailmanlaajuinen seuranta on mahdollista ainoastaan avaruudessa sijaitsevien mittalaitteiden avulla: ESAn ERS-2 -satelliitissa ollut GOME-instrumentti (Global Ozone Monitoring Experiment) oli ensimmäinen osoitus satelliitin herkkyydestä mitattaessa troposfäärin typpidioksidia. GOME oli siltikin vain vaatimaton edeltäjä Saksan, Alankomaiden ja Belgian rahoittamalle SCIAMACHY-havaintolaitteelle, joka kiertää maata parhaillaan Envisat-satelliitissa.

ESAn Envisat-ympäristösatelliitti

Vaikka mittalaitteet toimivat samalla tavalla, oli GOMEn alueellinen erottelukyky vain 320 x 40 km, kun uutta sukupolvea edustavalla SCIAMACHYllä erottelukyky on tyypillisimmillään 60 x 30 km. SCIAMACHY luotaa ilmakehää lisäksi kahteen eri suuntaan – alaspäin, eli nadiiriin, sekä kehän suuntaisesti, eli lentosuuntaan – ja sen spektrialue on myös merkittävästi suurempi kuin edeltäjällään.

SCIAMACHYn lisäksi Envisatissa on mukana suomalais-ranskalainen GOMOS, joka mittaa ilmakehän merkkikaasuja ja erityisesti otsonia. Kaksi laitetta pystyy mittaamaan suuremman määrän erilaisia kaasuja ja niiden toimintaperiaatteet ovat hieman erilaisia: GOMOS analysoi ilmakehässä olevia kaasuja tähdenpeittojen avulla, eli laite seuraa tähden valon muuttumista silloin, kun tähti painuu Maan reunan taakse satelliitin liikkuessa eteenpäin radallaan. Tuloksena on tarkka ilmakehän merkkikaasupitoisuuden pystyprofiili. SCIAMACHYn ja GOMOSin yhteistyönä saatavat havainnot ovat luotettavampia ja kattavampia kuin olisivat yhdellä ainoamma mittalaitteella tehtävät havainnot.

Siinä missä Ilmatieteen laitos käsittelee suurimman osan GOMOSin tuloksista, vastaavat saksalaisten Bremenin ja Heidelbergin yliopistojen, Belgian avaruusastronomian laitoksen (BIRA-IASB) ja Alankomaiden kuninkaallisen meteorologian laitoksen (KNMI) tutkijaryhmät SCIAMACHYn tietojen analysoinnista. Nyt he ovat tuottaneet historian tarkimpia karttoja troposfäärin typpidioksidista mittauspisteinä käytettävissä 'ilmapilareissa', ilmakehän pystyviipaleissa.

"SCIAMACHYn GOMEa tarkempi alueellinen erottelukyky merkitsee sitä, että kuvien pikselikoko on pienempi, minkä ansiosta näemme paljon enemmän yksityiskohtia näistä koko maapallon kattavista kuvasarjoista. Erotamme jopa yksittäiset kaupungit päästölähteinä", toteaa Steffen Beirle Heidelbergin yliopiston ympäristöfysiikan laitokselta, joka on vastannut yllä näkyvän kartan laadinnasta.

SCIAMACHY will detect many different trace gases
SCHIAMACHY havaitsee monenlaiset merkkikaasut

"Typpidioksidin voimakas esiintyminen ilmapilareissa liittyy Pohjois-Amerikan ja Euroopan suurkaupunkeihin sekä eräisiin muihin kohteisiin, joista voidaan mainita Mexico City Keski-Amerikassa ja Etelä-Afrikan lähekkäin sijaitsevat kivihiilivoimalat idässä sijaitsevalla Highveldin ylätasangolla.

Myös Koillis-Kiinan yläpuolelta havaitaan suuria pitoisuuksia. Lisäksi Kaakkois-Aasiassa ja suuressa osassa Afrikkaa nähdään biomassan polttamisesta syntyvää typpidioksidia. Laivareitit näkyvät joissain paikoin: katsotaanpa vaikka Punaista merta ja Intian valtamerta Intian eteläkärjen ja Indonesian välissä. Näitä reittejä kulkevien laivojen savupiipuista pääsee troposfääriin suuria määriä NO2-kaasua."

DOAS löytää merkkikaasujen heikotkin "sormenjäljet"

Kartta on keskimääräinen tulos kaikesta saatavilla olevasta tiedoston 18 kuukauden ajalta. Näin siinä on tasattu biomassan polton kausivaihtelujen sekä ihmisen toiminnan vuotuisen vaihtelun vaikutukset.

GOMEn tapaan myös SCIAMACHY havainnoi ilmakehän hajottamaa ultraviolettivaloa, näkyvää valoa ja lähi-infrapunasäteilyä. Vaikein työvaihe tapahtuu maassa, kun tutkijat yrittävät löytää hyvinkin heikkoja merkkikaasujen absorptiomalleja takaisinsironneen valon koko spektristä. Kaikki ilmassa olevat erilaiset kaasut ja alkuaineet jättävät merkkinsä valon spektriin, ja näiden merkkien hakemista voi verrata neulan etsimiseen heinäsuovasta.

Global Pollution Diagram
GOMEn ja SCIAMACHYn alueellisen erottelukyvyn vertailua

Menetelmänä käytetään differentiaalista optista absorptiospektrografiaa (DOAS), joka on itse asiassa myös maassa toimivien ilmanäytteenottolaitteiden käyttämä monimutkainen suodatusprosessi. DOAS:n avulla poistetaan vallitseva voimakas ilmakehän hiukkasten aiheuttama spektrikohina Rayleigh'n valonsironnasta (sama ilmiö aiheuttaa sen, että taivas näyttää siniseltä) sekä ilmakehän valtaosan muodostavien happi-, typpi- ja vesimolekyylien absorptiomallit.

Näiden vähennyslaskujen jälkeen jää jäljelle haluttu signaali merkkikaasujen heikommistakin spektriabsorptiomalleista, jotka tunnistetaan vertaamalla niitä näytteen poikkileikkaukseen. SCIAMACHYn tuloksiin sovellettuna tämän tekniikan herkkyys riittää saamaan esille pilarit, joissa pitoisuus on pienempi kuin muutama yksikkö typpidioksidia suhteessa miljardiin yksikköön ilmaa. Mittakaavasta saa käsityksen, kun muistaa, että erittäin saastuneilla taajama-alueilla, kuten Lontoossa, NO2:n sekoitussuhde voi olla niinkin suuri kuin sadan yksikön suhde miljardiin.

Tässä näkyvän kaltaiset typpidioksidikartat on tuotettu suoraan alaspäin tehdyistä havainnoista: vaikka NO2-pitoisuus vaihtelee suuresti eri puolilla troposfääriä, ylemmässä ilmakehässä eli stratosfäärissä se on jakautunut tasaisesti. Esimerkiksi Tyynenmeren kaukaisimpien osien yläpuolelta mitattuja pilareiden typpidioksiditasoja käytettiin määritettäessä stratosfäärin typpidioksidin yleistä pitoisuutta, joka vähennettiin sitten kokonaismittaustuloksista, jotta saatiin selville troposfäärin ilmapilareiden arvot.

"Tästä ja muista vastaavista havaintolaitteista saatavia tuloksia voidaan vastaisuudessa hyödyntää kemiallisessa sään ja ilmanlaadun ennustamisessa", Beirle lisää. "Toistaiseksi käytämme SCIAMACHYn tuloksia pääasiassa määritellessämme typpioksidien eri lähteiden – kuten fossiilisten polttoaineiden käytön, biomassan polton ja salamoinnin – tuottaman kaasun osavaikutuksia, varsinkin kun esimerkiksi viimeksi mainitun osuus on edelleen hyvin epävarma."

Tietoja SCIAMACHYstä

Sciamachy Optical Assembly
SCIAMACHYn optiikan kokoonpano

SCIAMACHY on spektrometri, joka luotaa ilmaa hyvin laajalla aallonpituusalueella. Näin se havaitsee merkkikaasut, otsonin ja muut sen sukuiset kaasut, pilvet ja pölyhiukkaset koko ilmakehän läpi. Se mittaa auringonvaloa, jota Maan ilmakehä tai pinta välittää, heijastaa ja sirottaa ultraviolettivalon, näkyvän valon ja lähi-infrapunavalon alueella. Sen mittauskeila on 960 km leveä, joten se mittaa koko maapallon kuudessa päivässä.

Tämä monipuolinen instrumentti on jäsenvaltioiden erillisesti rahoittama panos ESAn Envisat-missioon. Sen rahoittajina toimivat Saksan hallitus Saksan ilmailu- ja avaruustutkimuslaitoksen DLR:n kautta, Alankomaiden hallitus Alankomaiden ilmailu- ja avaruusorganisaation NIVR:n kautta sekä Belgian hallitus BIRA-IASB:n kautta.

SCIAMACHYn idean isä oli Bremenin yliopiston ympäristöfysiikan laitoksen John Burrows, ja hän toimii nyt myös siitä vastaavana päätutkijana. SCIAMACHY on osa samaa periaatetta käyttävien, pystysuoraan alaspäin mittaavien ilmakehäspektrometrien joukkoa, johon kuuluvat myös ERS-2:n GOME ja tuleva GOME-2-instrumentti, joka laukaistaan kiertoradalleen ensi vuonna ensimmäisen MetOp-mission mukana.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.