Satellieten als cruciale tool voor ammoniakmonitoring: Inzichten uit CrIS-data

Ammoniak (NH₃) is een belangrijke component in de stikstofcyclus en heeft een grote impact op milieu en gezondheid. Het is een sleutelcomponent in atmosferische reacties die leiden tot de vorming van fijnstof (PM2.5), met gevolgen voor luchtkwaliteit en volksgezondheid. Daarnaast draagt de depositie van ammoniak bij aan de verzuring en eutrofiëring van ecosystemen. De exacte emissies en verspreiding van ammoniak zijn echter moeilijk in kaart te brengen door de hoge variabiliteit in ruimte en tijd en de beperkte beschikbaarheid van meetgegevens. Satellietwaarnemingen, zoals die van de Cross-track Infrared Sounder (CrIS), bieden nieuwe kansen om deze lacunes op te vullen en ammoniakemissies beter te begrijpen.

Waarom ammoniak moeilijk te meten is

De traditionele monitoring van ammoniak gebeurt met vaste meetstations, vaak met passieve samplers of actieve denuders die periodiek luchtmonsters analyseren. Dit levert waardevolle data op, maar de dekking is beperkt en de meetresolutie (vaak op maandbasis) sluit niet goed aan bij de snelle atmosferische dynamiek van ammoniak. Bovendien kunnen in-situ metingen last hebben van technische beperkingen, zoals de hechting van ammoniak aan meetapparatuur, wat leidt tot onderschattingen van de werkelijke concentraties.

Door deze beperkingen zijn modelleringen zoals LOTOS-EUROS of OPS/Aerius nodig om ammoniakdistributies te simuleren. Maar modellen zijn sterk afhankelijk van invoergegevens over emissies, die zelf (te) onzeker zijn. Dit maakt dat schattingen van ammoniakemissies en -depositie een onzekerheidsmarge hebben van minstens 30% op landelijk niveau en lokaal nog hoger kunnen zijn. Het onderzoek van de Heij laat zien dat de onnauwkeurigheid voor depositie kan oplopen tot honderden procenten; het RIVM rapporteert +/-30% landelijk, en +/-124% regionaal. Zelfs de concentratie voorspellingen zijn onzeker: +/- 30% afwijking tussen OPS/Aerius en LML-netwerk.

Hoe CrIS bijdraagt aan betere ammoniakmonitoring

De CrIS-satelliet aan boord van de Suomi NPP biedt sinds 2012 dagelijkse wereldwijde ammoniakmetingen met een resolutie van ongeveer 14 km (het is inmiddels mogelijk om met een hogere resolutie te meten, zie ook dit artikel over Caeli). Dit maakt het mogelijk om regionale patronen van ammoniakemissie en -depositie in detail te bestuderen. Het paper van Van der Graaf et al. (2022) laat zien hoe deze satellietwaarnemingen gebruikt kunnen worden om modelberekeningen te verbeteren door middel van data-assimilatie.

Het onderzoek testte twee methoden:

1. Tijdsfactorcorrecties: Op basis van de satellietmetingen werden temporele emissiefactoren afgeleid, waarmee de spreiding van ammoniakuitstoot over het jaar beter werd afgestemd op werkelijke observaties.
2. Data-assimilatie: De gemeten ammoniakconcentraties werden direct in het LOTOS-EUROS-model opgenomen via een lokaal ensemble transform Kalman filter (LETKF), een methode die de modelberekeningen dynamisch bijstelt op basis van de satellietdata.

De studie richtte zich op West-Europa (Nederland, Duitsland, België) en vond dat de gesimuleerde ammoniakconcentraties in LOTOS-EUROS systematisch lager waren dan de CrIS-metingen, vooral in landbouwgebieden. Door het assimileren van CrIS-data stegen de berekende ammoniakemissies in sommige regio’s met 30%, wat wijst op een structurele onderschatting in de bestaande emissie-inventarissen.

Belangrijke bevindingen voor Nederland

Voor Nederland had de invoering van satellietdata drie belangrijke effecten op de ammoniakmodellering:

1. Betere afstemming op seizoensvariaties
   • Traditionele modellen overschatten de ammoniakemissies in het vroege voorjaar (maart-april), terwijl de CrIS-data laten zien dat er ook substantiële emissies in de zomer en herfst optreden.
   • Na toepassing van de CrIS-gebaseerde tijdsfactoren daalden de lente-emissies, terwijl de zomer- en herfstemissies stegen.
2. Meer realistische depositiepatronen
   • De totale natte en droge ammoniakdepositie werd realistischer verdeeld over het jaar. In de standaardmodellering werd te veel depositie toegekend aan het vroege voorjaar, terwijl CrIS-gegevens laten zien dat er in de zomer en herfst nog significante emissies plaatsvinden, die later en verder getransporteerd worden.
3. Verschillen tussen regio’s
   • In agrarische hotspots zoals Noord-Brabant en West-Vlaanderen werden de ammoniakemissies met 30% verhoogd ten opzichte van de modelberekeningen zonder satellietdata. De verspreiding van ammoniak over het oppervlak is lager dan de modellen zoals OPS voorspelling.
   • In landelijke achtergrondgebieden, zoals delen van Duitsland, werd de ammoniakconcentratie door assimilatie van CrIS-data iets verlaagd, wat suggereert dat modellen hier eerder een overschatting gaven.

Wat betekent dit voor beleid en monitoring?

De studie onderstreept de waarde van satellietmetingen als een extra onafhankelijke databron voor ammoniakmonitoring. Dit heeft enkele belangrijke implicaties voor beleid en milieumodellering:

1. Meer betrouwbare emissieschattingen
   • Huidige emissie-inventarissen onderschatten ammoniakuitstoot in bepaalde regio’s en overschatten deze in andere. Satellietdata kunnen helpen bij het verbeteren van de nauwkeurigheid van deze inventarissen.
2. Betere tijdsafstemming van beleidsmaatregelen
   • Beleidsmaatregelen, zoals bemestingsregels en emissiereductiestrategieën, zijn vaak gebaseerd op veronderstellingen over wanneer en waar ammoniak wordt uitgestoten. De nieuwe inzichten tonen aan dat emissies in Nederland later in het jaar ook hoog zijn, wat pleit voor bredere spreiding van reductiemaatregelen.
3. Verbetering van modelvoorspellingen
   • Atmosferische transportmodellen zoals LOTOS-EUROS en OPS/Aerius worden veel gebruikt voor beleidsbeslissingen rondom stikstof. Door CrIS-data op te nemen in deze modellen, wordt de betrouwbaarheid van hun voorspellingen verhoogd.
4. Integratie met andere datastromen
   • De combinatie van satellietmetingen met lokale meetstations kan een krachtig monitoringnetwerk opleveren, waarin beide databronnen elkaar aanvullen.

Conclusie

De inzet van satellieten zoals CrIS maakt het mogelijk om ammoniakuitstoot veel gedetailleerder en nauwkeuriger in kaart te brengen dan voorheen. De studie van Van der Graaf et al. (2022) toont aan dat ammoniakconcentraties in Nederland en omliggende landen structureel onderschat worden door modellen, vooral in landbouwgebieden. Door gebruik te maken van geavanceerde data-assimilatiemethoden kan deze kloof worden verkleind en kan stikstofbeleid beter worden afgestemd op de werkelijkheid. De toekomst van ammoniakmonitoring ligt in de integratie van satellietdata met lokale metingen en geavanceerde modelleringstechnieken. Het Amsterdamse high-tech bedrijf Caeli laat zien hoe dit soort systemen nu al in de praktijk kunnen werken.