De bescherming en het nauwkeurig monitoren van de aardse atmosfeer is een van de belangrijkste uitdagingen van de hedendaagse wetenschap. Sinds de tweede helft van de twintigste eeuw is duidelijk geworden dat menselijke activiteiten een aanzienlijke invloed hebben op de samenstelling van de atmosfeer.
De ontdekking van het gat in de ozonlaag boven Antarctica in de jaren tachtig van de vorige eeuw leidde tot grote internationale bezorgdheid en resulteerde in belangrijke verdragen, zoals het Montreal Protocol van 1987, dat het gebruik van ozonafbrekende stoffen moest beperken. Om deze afspraken te kunnen opvolgen en om beter inzicht te krijgen in de atmosferische processen die het klimaat en de luchtkwaliteit beïnvloeden, was er nood aan nauwkeurige, wereldwijde en langdurige metingen van ozon en andere sporengassen. Satellieten spelen daarbij een cruciale rol, omdat ze vanuit de ruimte een wereldwijd overzicht kunnen geven, iets wat met grondstations alleen onmogelijk is. In deze context lanceerde de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA) op 21 april 1995 de ERS-2 satelliet (European Remote Sensing Satellite-2). Aan boord bevond zich een revolutionair instrument: het Global Ozone Monitoring Experiment (GOME). GOME was het eerste instrument dat systematisch en met hoge spectrale resolutie metingen uitvoerde van zonlicht dat door de atmosfeer is gegaan of aan het aardoppervlak is weerkaatst. Op basis van deze metingen konden wetenschappers de concentraties van ozon en verschillende andere belangrijke atmosferische gassen bepalen. Het experiment betekende een belangrijke stap in het wereldwijde atmosferisch onderzoek en vormde de basis voor latere, nog geavanceerdere satellietinstrumenten.
Het GOME-instrument en zijn werking
Het GOME-instrument is in essentie een UV–VIS spectrometer (ultraviolet–visueel licht). Een spectrometer is een wetenschappelijk instrument dat het inkomende licht opsplitst in verschillende golflengten, net zoals een prisma zonlicht kan verdelen in een regenboog van kleuren. Door de intensiteit van het licht bij elke golflengte te meten, kunnen wetenschappers bepalen welke stoffen aanwezig zijn in de atmosfeer, omdat elk gas specifieke golflengten absorbeert. Deze “vingerafdrukken” in het spectrum kunnen worden gebruikt om de hoeveelheden van die stoffen te berekenen. GOME observeert zonlicht dat door de atmosfeer wordt weerkaatst of doorgelaten. Door dit te analyseren, kunnen verschillende gassen gedetecteerd worden, waaronder:
- Ozon (O₃): essentieel voor de bescherming tegen schadelijke ultraviolette straling
- Stikstofdioxide (NO₂): een belangrijke luchtvervuiler en indicator voor emissies door verkeer en industrie
- Zwaveldioxide (SO₂): afkomstig van vulkanische activiteit en menselijke industrie
- Formaldehyde (HCHO): een indicator voor fotochemische processen en emissies van vluchtige organische stoffen
- Andere gassen zoals bromine monoxide (BrO) en waterdamp.
GOME werkt in het golflengtegebied van ongeveer 240 tot 790 nanometer, wat zowel het ultraviolet (UV) als het zichtbare deel van het spectrum omvat. De spectrale resolutie is hoog (ongeveer 0,2 tot 0,4 nm), waardoor zeer gedetailleerde informatie kan worden verkregen over de samenstelling van de atmosfeer. De satelliet ERS-2 bevindt zich in een bijna polaire, zon-synchrone baan op een hoogte van ongeveer 780 kilometer. Dankzij deze baan kan GOME de hele aarde ongeveer om de drie dagen in kaart brengen. Het instrument heeft een kijkveld van ongeveer 960 kilometer breed en verzamelt spectrale informatie in “stroken” terwijl de satelliet rond de aarde beweegt. Door deze continue observatie kan men zowel mondiale patronen als regionale en seizoensgebonden veranderingen in de atmosferische samenstelling detecteren.
Belgische bijdrage aan GOME
België leverde een significante wetenschappelijke bijdrage aan het GOME-project, voornamelijk via het Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA–IASB). Dit instituut, gevestigd in Ukkel, is internationaal erkend voor zijn expertise in atmosferische fysica en chemie, en in het bijzonder voor zijn werk met satellietgegevens. De Belgische bijdrage concentreerde zich op drie belangrijke domeinen:
- Ontwikkeling van retrieval-algoritmes
De metingen die GOME levert zijn in eerste instantie ruwe spectrale gegevens. Om hieruit bruikbare concentraties van atmosferische gassen te halen, moeten complexe wiskundige en fysische modellen worden toegepast. Dit proces wordt het retrieval-proces genoemd. Het BIRA-IASB speelde een sleutelrol in de ontwikkeling en verfijning van deze retrieval-algoritmes. Belgische onderzoekers ontwikkelden methoden om de absorptiepatronen in de spectra om te zetten in nauwkeurige schattingen van gasconcentraties, rekening houdend met factoren zoals verstrooiing door wolken en aerosolen, de hoek waaronder de satelliet kijkt, en de variaties in zonnestraling. - Kalibratie en validatie van de gegevens
Naast de ontwikkeling van algoritmes droeg België bij aan de kalibratie en validatie van de GOME-metingen. Dit betekent dat de satellietgegevens werden vergeleken met onafhankelijke metingen, bijvoorbeeld van grondstations, luchtballonnen of vliegtuigen, om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid te garanderen. Belgische wetenschappers waren betrokken bij internationale validatiecampagnes en werkten samen met andere onderzoeksinstellingen en ruimteagentschappen om de kwaliteit van de data te waarborgen. - Wetenschappelijke analyse en interpretatie
Belgische onderzoekers gebruikten GOME-gegevens voor fundamenteel en toegepast onderzoek. Ze bestudeerden de verdeling en variabiliteit van ozon en NO₂ boven Europa en andere regio’s, onderzochten trends op lange termijn en analyseerden specifieke fenomenen zoals het jaarlijkse ozongat boven Antarctica. Hun resultaten droegen bij aan talrijke wetenschappelijke publicaties en aan internationale rapporten over de toestand van de atmosfeer.
Door deze bijdragen heeft België een sterke reputatie opgebouwd binnen de internationale gemeenschap op het gebied van atmosferische remote sensing. De expertise die werd ontwikkeld tijdens het GOME-project, werd later ingezet voor nieuwere missies zoals SCIAMACHY en de Sentinel-5 Precursor (TROPOMI).
België, via het BIRA–IASB, speelde een sleutelrol in de ontwikkeling van analysemethoden, de validatie van gegevens en de wetenschappelijke interpretatie. Deze bijdrage illustreert hoe een relatief klein land een belangrijke impact kan hebben op internationale wetenschappelijke programma’s. De erfenis van GOME leeft voort in de huidige generatie satellieten en in het voortdurende onderzoek naar de toestand van onze atmosfeer.
Wetenschappelijke en maatschappelijke betekenis
Het belang van GOME was groot, zowel wetenschappelijk als maatschappelijk. Ten eerste leverde het experiment voor het eerst grootschalige, systematische metingen van ozon en andere sporengassen met hoge spectrale resolutie. Hierdoor konden wetenschappers de ozonlaag en de bijbehorende chemische processen veel nauwkeuriger bestuderen dan voorheen. GOME-metingen waren essentieel voor het monitoren van het herstel van de ozonlaag sinds de inwerkingtreding van het Montreal Protocol. Daarnaast leverde GOME belangrijke gegevens over luchtvervuiling op regionale en mondiale schaal. Stikstofdioxide, bijvoorbeeld, is een belangrijke indicator voor menselijke emissies. Door de gegevens van GOME te analyseren, konden wetenschappers emissiepatronen van verkeer, industrie en energieproductie wereldwijd in kaart brengen. Deze informatie is waardevol voor milieubeleid, klimaatonderzoek en gezondheidsstudies. GOME speelde ook een cruciale rol in de ontwikkeling van nieuwe methoden voor atmosferische remote sensing. Het instrument fungeerde als een “proefproject” voor latere en geavanceerdere instrumenten zoals SCIAMACHY (op Envisat, gelanceerd in 2002) en GOME-2 (op de MetOp-satellieten). Deze instrumenten bouwden voort op de technologie en ervaring die met GOME werd opgedaan, en ze verbeterden onder meer de ruimtelijke resolutie en de mogelijkheden om verticale profielen van gassen te bepalen.
Het totaal aan ozon in de atmosfeer van de aarde, gemeten door het GOME-experiment - Foto: ESA/DLR
