Nitrogen in the air and in our nature worries us and hinders our potential. It would be good to know much more accurately and much more certain where it sits, how it gets there and how to prevent or reduce it. Is that even possible?
(Lees dit artikel in het Nederlands onder de Engelse tekst)
“Yes,” say three leading Dutch atmospheric scientists confidently. “If you have a good measuring instrument in space, and combine its measurement data correctly with ground measurements in a model.”
‘Sharp vision of nitrogen: it really and surely can be done’
The scientists are more than happy to explain which piece of knowledge is missing. And why precisely The Netherlands can take the lead for an instrument that clarifies this. An instrument that would make the models more accurate and allow the whole world to gain in understanding.
The three atmospheric scientists are Pepijn Veefkind and Henk Eskes of the Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI) and Martijn Schaap of the Dutch Organisation for Applied Scientific Research (TNO). All three were also involved in the development of the iconic Dutch measuring instrument TROPOMI flying in space on the Sentinel-5P satellite.
The journey of nitrogen
“We see the element nitrogen (N) in different guises. In nitrogen dioxide (NO2) and other nitrogen oxides (NOx), in ammonia (NH3), but also, for example, in ammonium nitrate (NH4NO3), when ammonia and nitrogen dioxide meet. They affect air quality and biodiversity. And we want to help prevent that,” say Veefkind, Eskes and Schaap, motivating what gets them out of bed in the morning. “For a good picture of the journey of N in various guises, it is good to measure at least nitrogen dioxide as well as ammonia from space,” they explain.
Nitrogen dioxide measurements
In the Netherlands we have made great progress in measuring nitrogen dioxide NO2 in the atmosphere, and then calculating the emission figures. “We have had satellite measurements of NO2 since 2002, with increasing detail and frequency. Satellite instrument SCIAMACHY from 2002 distinguished 70 by 70 kilometers. OMI from 2004 distinguished 15 by 15 kilometers and TROPOMI can distinguish 3.5 by 5 kilometers.”
The “film,” too, got better and better: With SCIAMACHY, we measured the whole world in a week. TROPOMI measures the whole earth every day. The more detailed and the more frequent the measurements, the sharper also the ‘movie’ on which you see nitrogen gases moving through the air.
Ammonia measurements
The scientists and their colleagues have a concept for a satellite that will be able to simultaneously measure emissions of ammonia (NH3) and nitrogen dioxide (NO2) seen from above, with a stunning sharpness of 500 by 500 meters.
‘To capture ammonia sharply as well, the Netherlands make a great case.’
Such a satellite concept, previously named NITROSAT, is already well advanced and the Dutch experts would like to see it realized. Also, in the meantime, they would be very keen to develop instruments that already begin scientific nitrogen measurements over the Netherlands from aircrafts.
“Of ammonia (NH3), we now have satellite measurements from the satellites CRIS and IASI since 2014,” the researchers tell us. “The measurements are sharp to 12 by 12 kilometers, so you can’t yet see smaller point sources within them such as farms. But the data do give a reasonable picture of the distribution of ammonia over the Netherlands, through the seasons and the variation from year to year.” say the researchers. “With our satellite concept we will be able to see the point sources too.”
Measuring soil or air, deposition or emission?
“A big question in the debate about nitrogen in the Netherlands now is how much nitrogen is being precipitated, the deposition,” say the scientists. And you measure that at ground level. “Measuring wet deposition, so measuring nitrogen in rain that you collect, is not difficult. But measuring dry deposition, the uptake from the air by plants, is much trickier. Ammonia is extremely reactive; it sticks onto everything.” Good ground measurements are therefore costly and scarce in the world.
A satellite can measure the entire column from higher altitudes around the world. “That has the disadvantage that you do not yet know exactly what is happening on the ground. But it also has a big advantage: if you see a plume of pollution in the satellite data, that tells you something about the location of the source and the amount of emissions. And it allows you to look in places where ground measurements are not possible for all kinds of reasons.”
The Netherlands: nitrogen data Valhalla
The Netherlands is a special nitrogen country, with industry, airports, container ports, shipping and road traffic to the hinterland, and with its agricultural area. More than anywhere else in the world, nitrogen is measured in the Netherlands with ground monitoring points, mainly by the National Institute for Public Health and the Environment (RIVM).
The National Air Quality Monitoring Network (LML) measures nitrogen oxides (NO, NO2 and NOx) in the air every hour at about 60 locations in the Netherlands, and at several of these measuring points also regularly measures ammonia. There is also the Ammonia in Nature Monitoring Network. There, air concentrations of ammonia are measured at 230 sites at 86 nature reserves. In the much larger neighbor country Germany, for example, and in other countries there is occasionally one or not even a single measuring point for ammonia.
Excellence in calculating back emissions
Atmospheric scientists such as Henk Eskes and Martijn Schaap are working on models that can explain what is happening in the atmosphere. And the more detailed measurement data is available, the more uncertainties in the model can be reduced, and the better these models work.
For example, atmospheric chemists can calculate nitrogen concentrations in the air back to estimated emissions (inverse modeling). This is one of the Netherlands leading expertises – besides developing space measurement instruments. “We have been doing inverse modeling at KNMI and TNO for a long time,” Eskes and Veefkind explain. “Because of the measurements from TROPOMI, a really huge step has been taken with the refinement of the models.” Ammonia is still a bit of a blind spot, the researchers say, “but the Netherlands, with all these ground data together with satellite data, offers a fantastic case to solve it.”
Accuracy from space
Using the “Dutch case,” the rest of the world can also benefit. With the wealth of ground and aerial data, you can validate models. Then the combination of satellite data with a validated model offers sufficient certainty to make statements based on satellite data alone, even where there are no ground stations.
Monitoring measures
If this succeeds, you can also monitor the impact of measures worldwide. As far as nitrogen dioxide goes, the Netherlands already has leading expertise in this area. “For example, we were able to find the shutdown of the Hemweg power plant in the satellite data.” For ammonia, there was a clear decline in the 1990s, but over the last 20 years ammonia concentrations have remained fairly constant.”
Nitrogen plots for stakeholders
Thanks to satellites, such as TROPOMI, increasingly detailed maps of how nitrogen compounds move through the atmosphere are emerging. This allows legislators, conservationists and environmentalists, policy makers, farmers, businesses and concerned citizens to see a lot more accurately what is happening. And therefore, what needs to be done to stop it. They can also monitor the results of any mitigating measures.
Netherlands as atmospheric research hub
The Dutch secret lies in expertise of the partner organisations within ClearAir, in the proposing, designing and construction of new satellite missions, which will provide unparalleled quantities of detailed (nitrogen) observations, combined with the unique existing ground data in the Netherlands and expertise in modeling the atmosphere. Dutch know-how can be a goldmine for global atmospheric science and reliable information on nitrogen.
About the scientists:
Pepijn Veefkind is principal investigator at KNMI for atmospheric measurements from space and Henk Eskes is senior researcher at KNMI for improvement of atmospheric models with satellite measurements. Martijn Schaap is principal investigator of atmospheric chemistry at TNO. They work together in the Clear Air expertise consortium, consisting of TNO, KNMI, SRON and TU Delft.
Nederlandse stikstofcase is een goudmijn voor wereldwijde atmosfeerwetenschap
Stikstof in de lucht en in onze natuur baart ons zorgen en belemmert onze mogelijkheden. Het zou goed zijn om veel preciezer en veel zekerder te weten waar het zit, hoe het daar komt en hoe je het dat kunt voorkomen of verminderen. Is dat mogelijk?
“Ja”, zeggen drie vooraanstaande Nederlandse atmosfeerwetenschappers volmondig. “Als je een goed meetinstrument hebt in de ruimte, en de meetgegevens daarvan goed met grondmetingen combineert in een model.”
‘Scherp zicht op stikstof: het kán’
De wetenschappers leggen graag uit welk stukje kennis ontbreekt. En waarom nou juist Néderland zo goed het voortouw kan nemen voor een instrument waarmee je dat opheldert. Een instrument dat de modellen sluitend(er) maakt en waar de héle wereld wijzer van zou worden.
De drie atmosfeerwetenschappers zijn Pepijn Veefkind en Henk Eskes van het KNMI en Martijn Schaap van TNO. Ze waren alle drie ook betrokken bij de ontwikkeling van het iconische Nederlandse meetinstrument TROPOMI dat in de ruimte vliegt op de Sentinel-5P satelliet.
De reis van stikstof
“Het element stikstof (N) zien we terug in verschillende gedaantes. In stikstofdioxide (NO2) en andere stikstofoxiden (NOx), in ammoniak (NH3), maar ook in bijvoorbeeld ammoniumnitraat (NH4NO3), als ammoniak en stikstofdioxide elkaar tegenkomen. Ze beïnvloeden de luchtkwaliteit en de biodiversiteit. En dat willen we helpen voorkomen”, zo motiveren Veefkind, Eskes en Schaap wat hen uit bed jaagt ‘s ochtends.“Voor een goed beeld van de reis van N in verschillende gedaantes is het goed om in elk geval stikstofdioxide én ammoniak vanuit de ruimte te meten”, leggen ze uit.
Stikstofdioxide metingen
Met het meten, én vervolgens ook tot uitstootcijfers terugrekenen van stikstofdioxide NO2 in de atmosfeer zijn we in Nederland al heel erg ver. “We hebben van NO2 nu satellietmetingen sinds 2002, met steeds toenemend detail en meetfrequentie. Satellietinstrument SCIAMACHY uit 2002 onderscheidde 70 bij 70 kilometer. OMI uit 2004 onderscheidde 15 bij 15 kilometer en het TROPOMI kan 3,5 bij 5 kilometer onderscheiden.”
Ook de ‘film,’ werd steeds al beter: Bij SCIAMACHY maten we de hele wereld in een week tijd. TROPOMI meet de hele aarde iedere dag. Hoe meer detail en hoe vaker, hoe scherper ook het ‘filmpje’ waarop je stofconcentraties ziet bewegen door de lucht.
Ammoniak metingen
“Om dat ook voor ammoniak scherp te krijgen, heeft Nederland een meer dan geweldige case. ”
De wetenschappers en hun collega’s hebben een uitgewerkt idee voor een satelliet die als eerste gelijktijdig van bovenaf gezien de uitstoot zal kunnen meten van ammoniak (NH3) en stikstofdioxide (NO2), met een prachtige scherpte van 500 bij 500 meter.
“Van ammoniak (NH3) hebben we nu sinds 2014 satellietmetingen van de satellieten CRIS en IASI”, vertellen de onderzoekers. “De metingen zijn scherp tot 12 bij 12 kilometer, dus kleinere puntbronnen daarbinnen zoals boerderijen kan je er nog niet individueel mee zien. Maar de data geven wel een redelijk beeld van de verdeling van ammoniak over Nederland, door de seizoenen en de variatie van jaar tot jaar.” vertellen de onderzoekers. “Met ons satellietconcept zullen we die kleine bronnen in de toekomst wel kunnen meten.”
Grond of lucht meten, depositie of emissie?
“Een grote vraag in het debat over stikstof in Nederland is nu hoeveel stikstof er neerslaat, de depositie.”, zeggen de wetenschappers. En dat meet je aan de grond. “Natte depositie meten, dus stikstof meten in regen die je opvangt, is niet moeilijk. Maar droge depositie meten, de directe opname van de gassen uit de lucht door planten, is veel lastiger. Ammoniak is hartstikke reactief, het plakt overal aan.” Goede grondmetingen zijn daarom kostbaar en schaars in de wereld.
Een satelliet kan over de hele wereld van grotere hoogte de hele kolom meten. “Dat heeft als nadeel dat je nog niet exact weet wat er aan de grond gebeurt. Maar het heeft ook een groot voordeel: als je een pluim van vervuiling ziet in de satellietdata, dan zegt dat iets over de plek van de bron en over de hoeveelheid uitstoot. En je kan ermee op plekken kijken waar om allerlei redenen geen grondmetingen (mogelijk) zijn.”
Nederland: stikstofdata Walhalla
Nederland is een bijzonder stikstofland, met onze industrie, luchthavens, containerhavens, scheepvaart en wegverkeer naar het achterland, en met ons landbouwareaal. Meer dan waar ook ter wereld, wordt in Nederland stikstof gemeten met grondmeetpunten, vooral door het RIVM.
Het Landelijk Meetnet Luchtkwaliteit (LML) meet op ongeveer 60 plekken in Nederland ieder uur stikstofoxiden (NO, NO2 en NOx) in de lucht, en op verschillende van deze meetpunten ook regelmatig ammoniak. Ook is er het Meetnet Ammoniak in Natuurgebieden. Daar worden op 230 plekken luchtconcentraties van ammoniak gemeten bij 86 natuurgebieden. In het grotere Duitsland zijn dat er bijvoorbeeld maar ongeveer 80, en in andere landen is er soms één of zelfs géén meetpunt voor ammoniak.
Nederland goed in emissies terugrekenen
Atmosfeerwetenschappers zoals Henk Eskes en Martijn Schaap werken aan modellen die goed kunnen verklaren wat er in de atmosfeer allemaal gebeurt. En hoe meer gedetailleerde meetdata er in die modellen gaan, hoe meer onzekerheden je eruit kunt halen, en hoe beter ze werken.
De atmosfeerchemicus kan zo bijvoorbeeld stikstofconcentraties in de lucht terugrekenen naar geschatte emissies (inverse modelering), iets waar Nederland zeer toonaangevend in is – naast het ontwikkelen van ruimtemeetinstrumenten. “Dat doen we bij KNMI en TNO al heel lang”, vertellen Eskes en Veefkind. “Door de metingen van TROPOMI is er met de verfijning van de modellen echt een enorme grote stap gemaakt.” Ammoniak is nog een beetje een blinde vlek, vertellen alle drie de onderzoekers, “maar Nederland biedt met die gronddata, en samen met de satellietdata een fantastische case om die op te lossen.”
Zekerheid vanuit de ruimte
Met de ‘Nederlandse case’, kan ook de rest van de wereld zijn voordeel doen. Met de rijkdom aan grond- en luchtdata kan je de modellen kunt valideren. Daarna biedt de combinatie van satellietdata met een gevalideerd model voldoende zekerheid om ook uitspraken te kunnen doen op basis van alléén satellietdata, ook daar waar géén grondstations zijn.
Maatregelen monitoren
Als dat lukt, kan je het effect van maatregelen ook wereldwijd monitoren. Daarin heeft Nederland inmiddels wat stikstofdioxide betreft ook al vooroplopende expertise. “We konden bijvoorbeeld de sluiting van de Hemwegcentrale terugvinden in de satellietdata.” Voor ammoniak was er een duidelijke daling in de jaren 90, maar de laatste 20 jaar bleven ammoniakconcentraties vrij constant.”
Stikstofplaatjes voor stakeholders
Dankzij satellieten, zoals TROPOMI, komen er steeds gedetailleerdere kaarten van hoe stikstofverbindingen door de atmosfeer bewegen. Daarmee kunnen wetgevers, natuur- en milieubeschermers, beleidsmakers, landbouwers, bedrijven en bezorgde burgers een stuk beter zien waar er wat gebeurt. En dus ook wat er wat moet gebeuren om het te stoppen. Ook kunnen ze van zulke maatregelen het effect in de gaten houden.
Nederland: geheim van de smid
Het Nederlandse geheim van de smid zit ‘m in de typisch Nederlandse expertise. In het voorstellen, ontwerpen en bouwen van nieuwe satellietmissies, die steeds gedetailleerde satellietdata opleveren, gecombineerd met een nergens in de wereld geëvenaarde hoeveelheden gronddata én expertise in modellen van de atmosfeer. De Nederlandse know-how kan een goudmijn zijn voor wereldwijde atmosfeerwetenschap en betrouwbare informatie over stikstof.
Over de wetenschappers:
Pepijn Veefkind is hoofdonderzoeker bij KNMI voor atmosfeermetingen vanuit de ruimte en Henk Eskes is senior onderzoeker bij KNMI voor verbetering van atmosfeermodellen met satellietmetingen. Martijn Schaap is hoofdonderzoeker atmosferische chemie bij TNO. Ze werken samen in het Clear Air consortium, bestaande uit TNO, KNMI, SRON en TU Delft.
