NLT-module satellietwaarnemingen -- SCIAMACHY meting

SCIAMACHY meting: van spectrum naar ozon naar UV index

Een satelliet-instrument meet de intensiteit van het licht dat het ontvangt als functie van golflengte van zowel het directe zonlicht (de zgn. irradiantie) als het zonlicht dat van de aarde afkomstig is (de zgn. radiantie). Het plaatje rechts laat dit schetsmatig zien.

Door de radiantie met de irradiantie te vergelijken kunnen we iets zeggen over de samenstelling van de aardatmosfeer, welke gassen er in de atmosfeer zitten en in welke concentraties.

Het gebiedje op het aardoppervlak waar de satelliet met een meting naar kijkt wordt wel een (satelliet-)grondpixel genoemd.

SCIAMACHY spectra

De ruwe data van een satelliet-meting (de zgn. level-0 data) is eigenlijk niet meer dan het aantal fotonen (lichtdeeltjes) dat per seconde op de detector van de satelliet valt. In de eerste stap van de data verwerking wordt dat signaal omgezet naar een spectrum, d.w.z. naar een intensiteit als functie van golflengte: de level-1 data.

Het volgende plaatje laat een voorbeeld zien van spectra gemeten door de eerste vijf (van de acht) kanalen van SCIAMACHY. Voor sommige golflengten zijn geen waarden weergegeven: dat zijn de overgangen tussen de verschillende kanalen waarmee SCIAMACHY meet.

Voorbeeld van een SCIAMACHY zonnespectrum (irradiantie) en aardspectrum (radiantie). De radiantie is gemeten voor het SCIAMACHY grondpixel boven De Bilt op 3 juli 2005.

De gemiddelde vorm van het zonnespectrum wordt bepaald door de temperatuur aan het zichtbare oppervlak van de zon. Omdat er in de buitenste lagen van de zon allerlei gassen voorkomen, is het zonnespectrum niet glad maar vertoont het allerlei pieken omlaag: absorptie-lijnen veroorzaakt door die gassen in de zon -- dit zijn de zgn. Fraunhofer-lijnen.

Het aardspectrum dat de satelliet meet wordt bepaald door het zonlicht dat op de aarde vallende zonlicht valt, en dus zitten deze Fraunhofen-lijnen ook in het aardspectrum.

Het verschil in intensiteit van het zonnespectrum en het aardspectrum wordt in algemene termen bepaald doordat het zonlicht dat de atmosfeer in komt alle kanten op verstooid wordt door de luchtmoleculen (d.w.z. stikstof en zuurstof), waardoor maar een deel van het invallende licht richting satelliet gaat, en doordat het aardoppervlak straling absorbeert.

De moleculen van de gassen in de atmosfeer absorberen ook het zonlicht, en voor elk gas vindt die absorptie plaats bij verschillende golflengten. Omdat we de "vingerafdruk" van de absorptie door de verschillende gassen kennen, kunnen we uit de verhouding tussen de radiantie en de irradiantie dan iets zeggen over de aanwezigheid en concentratie van de gassen.

Het volgende plaatje toont de verhouding tussen radiantie en irradiantie, de zgn. reflectantie.

SCIAMACHY reflectantie voor het grondpixel boven De Bilt op 3 juli 2005.

We gaan hier niet in op de vele details die te zien zijn in dit reflectantie spectrum (de structuren tussen bijv. 900 en 1000 nm worden veroorzaakt door absorptie door waterdamp). We concentreren ons hier op de meting van ozon.

Bepaling van ozon en bewolking

De sterke afname van de reflectatie voor de golflengten beneden de 350 nm wordt vooral veroorzaakt door ozon, dat heel efficient UV-straling absorbeert.

Door in detail naar dat golflengte gebied te kijken -- d.w.z. naar de afname van de reflectantie met kortere golflengte en naar de diepte van de structuren op de curve -- kunnen we dus bepalen hoeveel ozon er in de atmosfeer zit op het moment van deze meting. Hieronder links een close-up van het golflengtegebied dat we voor de ozon meting gebruiken. De totale hoeveelheid ozon in de luchtkolom boven dit specifieke grondpixel is 315 DU (= Dobson Units).

SCIAMACHY reflectantie voor het grondpixel boven De Bilt op 3 juli 2005: close-up van het golflengte gebied gebruikt voor de bepaling van de ozon concentratie (links) en informatie over de bewolkingsgraad en -hoogte (rechts).

De sterke absorptie piek bij 760 nm is de zgn. O2-A band; zie de grafiek hierboven rechts. In deze band treedt sterke absorptie door zuurstof (O2) op. Het is deze O2-A band die ons informatie levert over bewolking, te weten de bewolkingsgraad (0 is wolkenvrij, 1 is volledig bewolkt) en de hoogte van de wolken.

Zonder wolken ziet de satelliet de hele kolom lucht, tot aan het aardoppervlak. Met bewolking ziet de satelliet een kleinere kolom lucht, namelijk alleen het stuk boven de wolken, waardoor de structuur van deze absorptieband er anders uit ziet, afhankelijk ook van de hoogte in de atmosfeer waar de wolken zich bevinden. (Overigens: nabij 687 nm zit een vergelijkbare, maar iets zwakkere structuur, de O2-B band.)

Informatie over de bewolkingsgraad en de hoogte van de bewolking is nodig voor de bepaling van de ozon concentratie, omdat we rekening moeten houden met de hoeveelheid ozon die onder de wolken zit.

Het plaatje hieronder toont de bewolkingsgraad op basis van alle SCIAMACHY metingen van een hele dag, verspreid over een 15-tal polaire banen (van noord naar zuid).

Bewolkingsgraad ("cloud fraction") voor alle SCIAMACHY waarnemingen op 3 juli 2005. (De kleur grijs betekent dat er geen metingen zijn geweest op die plek op deze dag.)

De waarnemingen die SCIAMACHY doet beslaan per keer een breedte (d.w.z. in oost-west richting) van ongeveer 960 km op het oppervlak, terwijl de banen onderling zo'n 2500 km uit elkaar liggen. Aangezien SCIAMACHY afwisselend metingen in twee modes doet, waarvan er maar eentje gebruikt wordt bij de dataverwerking waar we het hier over hebben, zitten er in de richting van de baan "gaten" in de waarnemingen.

Wereldwijde ozon verdeling

Het plaatje hieronder laat de ozon concentratie zien voor alle individuele SCIAMACHY grondpixels voor een hele dag. Deze ozon concentratie wordt level-2 data genoemd, die dus afgeleid wordt uit de level-1 spectrale data. Het zijn deze satelliet-metingen die vergelijken worden met metingen van de ozon concentratie vanaf de grond om de kwaliteit van de satelliet-metingen te controleren ("satelliet validatie").

Ozon concentratie (in Dobson Units; DU) voor alle SCIAMACHY waarnemingen op 3 juli 2005.

De ozon concentraties in een dergelijke kaart gelden voor de tijdstippen waarop de satelliet gemeten heeft. De meting van De Bilt (lengte = 5.15 graden oost, breedte = 52.10 graden noord), die dus een ozon concentratie 315.3 DU opleverde, werd verricht om 10:02:26 UTC (11:02:26 Nederlandse tijd). De satelliet met het SCIAMACHY instrument beweegt van noord naar zuid over de dag-zijde van de aarde en ondertussen draait de aarde rond. De banen aan de rechterkant van de kaart hierboven zijn dus van het begin van deze dag (gemeten in UTC tijd) en die aan de linker kant van het eind van de dag. De metingen beslaan dus alle uren van deze ene dag.

Duidelijk is dat SCIAMACHY niet de hele atmosfeer te zien krijgt in één dag. In principe kan men de waarnemingen van verschillende dagen op een enkele kaart "over elkaar heen" plotten -- dat wordt dan level-3 data genoemd -- maar omdat ozon nogal kan variëren van dag tot dag heeft dat voor ons geval niet veel zin.

Wat we echter graag willen weten is wat de wereldwijde ozon verdeling is op èèn bepaald moment van de dag. Dat kunnen we niet rechtstreeks uit de satellietwaarnemingen halen, want die gelden dus steeds voor verschillende momenten van de dag. Daarom maken we een stap naar nog een niveau hoger, naar wat level-4 data genoemd wordt. Het volgende plaatje geeft daarvan een voorbeeld.

Wereldwijde ozon concentratie (in Dobson Units; DU) op 3 juli 2005 om 12 uur UTC, afgeleid uit SCIAMACHY waarnemingen.

Voor het maken van zulke kaarten wordt gebruik gemaakt van de ozon waarnemingen van het satelliet-instrument in combinatie met informatie over de toestand van de aardatmosfeer -- met name de wereldwijde verdeling van temperatuur, druk, windrichting en windsterkte -- en kennis over de chemische evolutie van ozon, zoals die voorhanden zijn in computermodellen van de atmosfeer. Het bovenstaande plaatje is de ozon verdeling om 12 uur UTC. Voor de locatie van De Bilt geeft dit veld een waarde van 326.7 DU.

UV index

De UV index, in Nederland vaak "zonkracht" genoemd, is een maat voor de hoeveelheid ultra-violet (UV) straling die te maken heeft met het bruin worden van de huid, op het moment dat de zon het hoogst aan de hemel staat en bij onbewolkte lucht.

Dat moment van de dag heet wel het locale zonne-middaguur. ("local solar noon" in het Engels). In termen van de UTC tijd is dat natuurlijk steeds een iets ander tijdstip, van 00 uur UTC helemaal bij 180 graden oost tot 24 uur UTC bij 180 graden west (op de nul-meridiaan van Greenwich is het locale zonne-middaguur per definitie gelijk aan 12 uur UTC.

Daarom leiden we de wereldwijde UV index verdeling af uit de ozon verdeling op het locale zonne-middaguur. De kaarten hieronder geeft deze UV index verdeling weer voor de hele wereld, en ingezoomd op Europa. Voor de locatie van De Bilt komt de zonkracht op 6.76, wat best hoog is -- bij zulke waarden van de UV index moet je je goed insmeren als je buiten in de zon verblijft.

UV index (zonkracht) verdeling op 3 juli 2005 voor de hele wereld en ingezoomd op Europa.

UV dosis

De UV index is dus een maat voor de hoeveelheid UV straling op een bepaald moment op de dag. Maar mensen ontvangen de hele dag door UV straling. Daarom bepalen we ook de dagelijkse UV dosis: de totale hoeveelheid UV straling tussen zonsopkomst en zonsondergang, rekening houdend met de stand van de zon boven de horizon. De UV dosis wordt daarbij uitgedrukt in de eenheid kJ/m².

Wolken houden een deel van de UV straling tegen, maar niet alle UV straling: ook bij volledig bewolke hemel ontvangt de huid nog UV straling. Daarom wordt bij de bepaling van de UV dosis ook rekening gehouden met de bewolkingsgraad.

UV dosis verdeling op 3 juli 2005 voor Europa, aannemende dat er geen bewolking is (boven) en rekening houdend met bewolking (onder); informatie over de bewolking is in dit geval alleen voor Europa beschikbaar.

Het woord "erythemal" in bovenstaande plaatjes slaat op het specifieke medische effect waar deze UV index voor geldt: erytheem, naar het Griekse woord voor roodheid, de medische term voor een rode kleurverandering van de huid, ontstaan als gevolg van vaatverwijding, in dit geval t.g.v. UV straling op de huid.

auteur: Jos van Geffen
met dank aan: Gijs Tilstra, Piet Stammes