Troposphärische Spurengasmessungen vom Satelliten aus. Thomas Wagner Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg

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1 Troposphärische Spurengasmessungen vom Satelliten aus Thomas Wagner Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg Mit Beiträgen aus der Heidelberger Satellitengruppe: S. Beirle, T. Deutschmann, C. Frankenberg, M. Grzegorski, J. Hollwedel, M.F. Khokhar, S. Kühl, T. Marbach, U. Platt, J. Pukite, S. Sanghavi, W. Wilms-Grabe Satellitenmessungen im UV/vis/NIR Spektralbereich, Instrumente & Analysemethoden Globale Karten von atmosphärischen Spurenstoffen Fallstudien Zukunfstperspektiven

2 Verschiedene Beobachtungsgeometrien und Spektralbereiche: Intrumente: SAGE, ILAS, HALOE, GOMOS, SCIAMACHY,... LIMS, MLS, CLAES, MIPAS, SCIAMACHY,... SBUV, TOMS, GOME, SCIA, OMI, (A)ATSR, MISR, POLDER, SeaWiFS, MERIS, MODIS,......Wettersatelliten...

3 Im Folgenden geht es um Nadir-Beobachtungen => Die troposphärische Komposition kann nur von Instrumenten in Nadir-Geometrie gemessen werden => Inbesondere die planetare Grenzschicht kann sondiert werden ( dies ist der Bereich, in dem wir leben und in dem die meisten Quellen liegen!) SBUV, TOMS, GOME, SCIA, OMI, (A)ATSR, MISR, POLDER, SeaWiFS, MERIS, MODIS,......weather satellites...

4 Beobachtungsgeometrie: sonnensynchroner, polarer Orbit Täglich 14 Orbits:

5 Hohe Intensität (Sonne) Besonderheiten der Fernerkundung vom All im UV/vis/NIR Spektralbereich UV/vis + NIR (NIR: Near Infra Red, emission can be neglected) Sun Earth Hohe Transparenz Transmission [%] Blick bis zum Boden

6 Sputnik UV/vis satellite history Satellites Weather Satellites Ozone (BUV) Explorer TIROS NIMBUS-4 NOAA-9 Space shuttle NIMBUS-7 NOAA-11 NOAA-14 Ozone (TOMS) Ozone++ (spectra) NIMBUS-7 ADEOS METEOR-3 Earth-probe GOME SCIAMACHY

7 Erstes Bild der Erde aus dem All Tiros Das erste komplette Bild Tiros IX, Februar 1965 Die Erde gesehen vom Mond Apollo Die Erde ist ein blauer Planet

8 Was sehen wir tatsächlich? Apollo Wolken Dunkle Oberflächen Helle Oberflächen und?

9 Was sehen wir tatsächlich? Was können wir aus den Spektren lernen? Wolken Dunkle Oberflächen Helle Oberflächen Die Atmosphäre Apollo

10 Messungen über Ozean Rayleigh Streuung ~λ Reflectivity Wavelength [nm] TOA spektrale Albedo gemessen von GOME

11 Messungen über Ozean O 3, H 2 O & O 2 Absorption 0.6 Reflectivity Wavelength [nm] TOA spektrale Albedo gemessen von GOME

12 Messungen über Ozean Inelastische Raman Streuung (Ring-Effekt) 0.6 Reflectivity Wavelength [nm] TOA spektrale Albedo gemessen von GOME

13 Messungen über Vegetation Farbe der Oberfläche 0.6 Reflectivity Wavelength [nm] TOA spektrale Albedo gemessen von GOME

14 Messungen über Wüste Farbe & Helligkeit der Oberfläche 0.6 Reflectivity Wavelength [nm] TOA spektrale Albedo gemessen von GOME

15 Messungen über Wolken Helligkeit & Weissheit 0.6 Reflectivity Wavelength [nm] TOA spektrale Albedo gemessen von GOME

16 Was geschah mit den solaren Photonen? Reflektion an der Oberfläche (Ozean & Kontinente) Elastische Streuung an Molekülen und Aerosolen (einschließlich Wolkenpartikeln) Inelastische Streuung (Raman-Streuung) an Molekülen Absorption an Aerosolen Absorption an Molekülen.Wie kann man die Effekte trennen?

17 Breitbandige spektrale Effekte (Helligkeit und Farbe): Reflektion an der Oberfläche Streuung an der oberen Ozeanschicht Elastische Streuung an Molekülen und Aerosolen (einschließlich Wolkenpartikeln) Absorption an Aerosolen Schmalbandige spektrale Effekte: Molekulare Absorption Inelastische Streuung (Raman Streuung an Molekülen)

18 Methoden: Für Spurenstoffanalysen wird die breitbandige spektrale Abhängigkeit ignoriert (spektrale Filterung: DOAS)

19 Methoden: Für Spurenstoffanalysen wird die breitbandige spektrale Abhängigkeit ignoriert (spektrale Filterung: DOAS) Für die Analyse von Aerosol- und Oberflächeneigenschaften wird die Intensität in Bereichen ohne molekulare Absorption gemessen

20 Methoden: Für Spurenstoffanalysen wird die breitbandige spektrale Abhängigkeit ignoriert (spektrale Filterung: DOAS) Für die Analyse von Aerosol- und Oberflächeneigenschaften wird die Intensität in Bereichen ohne molekulare Absorption gemessen Das Ziel muß sein, alle Prozesse simultan zu modellieren ( ehrgeizige Herausforderung )

21 GOME/SCIAMACHY-Spektralbereiche Spektrale Auflösung: nm

22 Absorptionseigenschaften von Molekülen Atmospheric trace gas absorptions detected in satellite spectra: O 4 O 3 UV HCHO OClO H 2 O O 2 Intensity [arbitrary units 1E+16 1E+14 1E+12 1E+10 1E+08 Satellite group: W avelength [nm ] SO 2 NO 2 BrO O 3 vis

23 Datenanalyse Spektrum Spektrale Analyse (DOAS) Spurenstoffwirkungsquerschnitte Strahlungstransport modellierung AMF SCD (slant column density) VCD (vertical column density) Strat.-Trop.- Trennung VCD Profilinformation Konzentration Profilinformation VCD = SCD / AMF Referenzsektormethode unabhängige Messungen, Modelergebnisse, etc.

24 DOAS BrO-Analyse für GOME Spektren 60 % 7 % Meßspektrum Quotientenspektrum DOAS-Fit Auch noch sehr schwache Absorptionen (<0.001) sind meßbar! 7 % 0.3 % 1.2 % <0.01 % Ring BrO O3 OClO 2.2 % O4 0.1 % NO2 0.2 % Restsruktur Wellenlänge University [nm] of Heidelberg

25 Sensitivity as function of altitude Sensitivity High Low

26 Influence of the ground albedo Sensitivity High High

27 Influence of clouds Sensitivity High zero

28 Air Mass Factor, AMF: Maß für die Meßempfindlichkeit AMF für Stratosphäre und Troposphäre 12 albedo 0.8 albedo 0.0 geometric AMF AMF 8 4 stratospheric AMF 0 tropospheric AMF SZA [ ]

29 3D Monte Carlo RTM TRACY Specific properties: spherical 3D geometry supports arbitrary platform positions and viewing geometries full MS by Rayleigh, aerosols, clouds, albedo Statistics of photon path can be derived, e.g. average number of scattering events a i v v,i d i detector

30 Kompromiss zwischen Überdeckung sowie räumlicher und spektraler Auflösung Räumliche Auflösung von Instrumenten mit hoher spektraler Auflösung Räumliche Auflösung von Instrumenten mit niedriger spektraler Auflösung (z.b. MERIS: 0.3x0.3 km²) MERIS image, Mt Etna, Sicily 28 March 2002 (c) ESA

31 Was können UV/vis-Spurenstoffmessungen vom Satelliten nicht bieten? - hohe räumliche Auflösung (>15 x 30km²) - hohe Meßfrequenz an einem Ort (SCIA: alle 6 Tage) - hohe Empfindlichkeit für bodennahe Spurenstoffe - hohe vertikale Auflösung in der Troposphäre - hohe Meßgenauigkeit für troposphärische Spurenstofe

32 Was können UV/vis- Spurenstoffmessungen vom Satelliten nicht bieten? - hohe räumliche Auflösung (>15 x 30km²) - hohe Meßfrequenz an einem Ort (SCIA: alle 6 Tage) - hohe Empfindlichkeit für bodennahe Spurenstoffe - hohe vertikale Auflösung in der Troposphäre - hohe Meßgenauigkeit für troposphärische Spurenstofe Was können UV/vis- Spurenstoffmessungen vom Satelliten bieten? - (nahezu) globale Überdeckung [ohne (Polar-) Nachtgebiete] => räumliche und zeitliche Veränderlichkeit - Instrumentenstabilität - Beobachtung in abgelegenen Regionen

33 Globale Spurenstoffkarten zeigen die Lage von Quellen NO2 (S. Beirle, IUP Heidelberg) SCIAMACHY, 2003/04 NO2 VCD [1015 molec/cm²] iup.uniuni-heidelberg.de heidelberg.de wagner@iup. iup.uniuni-heidelberg.de heidelberg.de Institut fü für Umweltphysik

34 Troposphärisches NO2 über Nordamerika S. Beirle, IUP Heidelberg NO2 VCD [10 15 molec/cm²]

35 Globale Spurenstoffkarten zeigen die Lage von Quellen SO2 (M.F. Khokhar, IUP Heidelberg) GOME

36 Globale Spurenstoffkarten zeigen die Lage von Quellen BrO (J. Hollwedel, IUP Heidelberg) GOME

37 Globale Spurenstoffkarten zeigen die Lage von Quellen HCHO (T. Marbach, IUP Heidelberg) 1997

38 CO Verteilung korreliert mit Feuerhäufigkeit C. Frankenberg, IUP Heidelberg Fire counts measured by MODIS aboard Terra.

39 Comparison with model results CH4 VCD from SCIAMACHY C. Frankenberg, IUP Heidelberg J.F. Meirink, KNMI, Utrecht Science, March 2005 Aug-Nov 2003 Aug-Nov 2003

40 C. Frankenberg, IUP Heidelberg The largest differences can be seen in tropical broadleaf evergreen forests in South America, central Africa and Indonesia. Science, March 2005 MODIS Enhanced Vegetation Index

41 T. Marbach, IUP Heidelberg The largest HCHO VCDs can also be seen in tropical broadleaf evergreen forests in South America, central Africa and Indonesia. HCHO 1997 MODIS Enhanced Vegetation Index

42 Charakterisierung verschiedener Quellen durch Vergleich verschiedener Spurenstoffkarten SO 2 NO 2 Industrie (Highveld, S-Africa) Vulkane (M.F. Khokhar, S. Beirle, IUP-Heidelberg)

43 Charakterisierung verschiedener Quellen durch Vergleich verschiedener Spurenstoffkarten HCHO NO 2 => Natürliche Emissionen => Anthropogene Emissionen (T. Marbach, S. Beirle, IUP-Heidelberg)

44 Die absolute Luftfeuchte folgt der Oberflächentemperatur Average H2O VCD, Jan & Feb normale Jahre (1996, 1997, 2000, 2001) T. Wagner, IUP Heidelberg [molec/cm²]

45 Mittlere H2O VCD, Jan & Feb 1998 (starkes El-Nino-Ereignis) T. Wagner, IUP Heidelberg [molec/cm²]

46 Globale Änderung der Luftfeuchte während El-Nino Average Oct - Mar Relative anomalies compared to normal years T. Wagner, IUP Heidelberg

47 Heftige Waldbrände in Indonesien im September 1997 (El Nino 1997/1998) ATSR Fire counts GOME HCHO GOME SO2 GOME NO2 T. Marbach, IUP Heidelberg M. F. Khokhar, IUP Heidelberg S. Beirle, IUP Heidelberg

48 Zeitliche Entwicklung der H2O VCD über Deutschland Winter: starke Abnahme (-15%) Sommer: starke Zunahme (+13%) 1.2E E E E E E E+00 H2O over Germany Winter: -14.6% Spring: -4.2% Summer: +12.6% Autumn: +4.8% T. Wagner, IUP Heidelberg Jan. 96 Jan. 97 Jan. 98 Jan. 99 Jan. 00 Jan. 01 Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04

49 Räumliche Trendmuster Temperatur [K] Wasserdampf

50 Zeitreihen der monatlichen Anomalien der Wasserdampfgesamtsäule und der Temperaturen Temperature anomaly [K] E+21 4.E+21 3.E+21 2.E+21 1.E+21 0.E+00-1.E+21 H2O anomaly [molec/cm²] Gesamte Erde 6.00E temp_anomaly H2O_anomaly Time -2.E+21-3.E+21-4.E E E+21 Trop_3030_H2O_anomaly Trop_-30 bis+30 temp_anomaly H2O_anomaly E E E E Tropen (30 N - 30 S) -1.00E E E E+21 Jan. 96 Jan. 97 Jan. 98 Jan. 99 Jan. 00 Jan. 01 Jan. 02 Jan

51 Korrelation der monatlichen Anomalien für verschiedene geographische Breiten Tropen > 30 N < 30 S 7E+21 3E+21 3E+21 H2O VCD anomaly [molec/cm²] 5E+21 3E+21 1E+21-1E+21-3E+21-5E+21 y = 9.6E+21x - 3.2E+21 R 2 = Temperature anomaly [K] Average H2O VCD [molec/cm²] 2E+21 1E E+21-2E+21 y = 0.7E+21x - 0.4E+21 R 2 = E Temperature anomaly [K] Average H 2 O VCD [molec/cm²] 2E+21 1E E+21-2E+21 y = 0.4E+21x R 2 = E Temperature anomaly [K] => 8% per K

52 Globale Karte von troposphärischem NO2 von SCIAMACHY S. Beirle, IUP Heidelberg NO2 VCD [1015 molec/cm²] iup.uniuni-heidelberg.de heidelberg.de wagner@iup. iup.uniuni-heidelberg.de heidelberg.de Institut fü für Umweltphysik

53 NO x von Schiffen Estimated NO x emissions (Endresen et al.) GOME NO2 VCD (Meridional high-pass filter applied) Beirle et al., GRL, 2004 (similar results also from A. Richter, IUP Bremen) molec/cm 2

54 Anthropogene Quellen: Wochenzyklus von NO2 US Eastcoast Europe molec/cm 2 Beirle et al., Weekly cycle of NO 2 by GOME measurements, ACP 3, , 2003

55 Anthropogene Quellen: Wochenzyklus von NO2 rel. units (Steffen Beirle, IUP-Heidelberg)

56 Untersuchung von Transportprozessen: Vergleich mit Modellen Intercontinental transport of anthropogeneous NO2 measured by GOME and modeled by FLEXPART [Stohl et al., 2003]

57 Globale Trends von NO 2 => Starke Zunahme über China => Abnahme über Westeurope und dem Osten der USA A.Richter et al., 2004

58 Trends über China Vergleich von GOME und SCIAMACHY GOME NSM S. Beirle, IUP Heidelberg

59 Trends über China Vergleich von GOME und SCIAMACHY SCIA 2003/2004 S. Beirle, IUP Heidelberg

60 Ausblick Umfassende Datenauswertung (z.b. > 8 Jahre GOME, > 2 Jahre SCIAMACHY!!!!) Ausführliche Vergleiche mit Modellen Zusätzliche Größen, z.b. weitere Spurenstoffe Synergie verschiedener Instrumente (UV/vis, IR, MW, etc.) Weitere geplante Missionen Höhere räumliche und zeitliche Auflösung, => welche Auflösung ist sinnvoll?

61 Sputnik UV/vis satellite history Satellites Weather Satellites Ozone (BUV) Explorer TIROS NIMBUS-4 NOAA-9 Space shuttle NIMBUS-7 NOAA-11 NOAA-14 Ozone (TOMS) NIMBUS-7 ADEOS METEOR-3 Earth-probe Ozone++ (spectra) GOME SCIAMACHY OMI GOME

62 Tropospheric NO2 VCD from GOME standard mode, Steffen Beirle

63 Tropospheric NO2 VCD from GOME narrow mode, Steffen Beirle

64 Tropospheric NO2 VCD from SCIAMACHY, Steffen Beirle

65 Zusammenfassung Ich hoffe, ich konnte zeigen daß: UV/vis/NIR-Satellitenmessungen einen völlig neuen Blick auf unseren Planeten und seine Lufthülle ermöglichen Insbesondere auch die schwachen Spurenstoffabsorptionen können sichtbar gemacht werden Satellitenmessungen sind wichtig zur Erforschung globaler Phänomene wie z.b. Klimawandel, Luftverschmutzung und Rückkopplungen...und letztlich...

66 Herzlichen Dank der Satellitengruppe Heidelberg!