Het Nederlandse SPEX-instrument betekent een doorbraak in het nauwkeurig meten van fijnstofeigenschappen. Dit concludeert de Leidse sterrenkundige Gerard van Harten in zijn proefschrift dat hij op 8 december verdedigt. Het Nederlandse SPEX-instrument wordt binnen een consortium van de Universiteit Leiden, het ruimteonderzoeksinstituut SRON en de Nederlandse industrie ontwikkeld om gedetailleerde metingen te verrichten aan fijnstof, zowel vanaf de grond als vanuit een satelliet. De nieuwe meettechniek van SPEX blijkt zodanig nauwkeurig dat SPEX-instrumenten cruciale informatie over de invloed van fijnstof op het klimaat en op de gezondheid kunnen vergaren. Dit is de belangrijkste conclusie van het proefschrift van de Leidse sterrenkundige Gerard van Harten, dat hij op 8 december 2014 zal verdedigen.
Fijnstof meten vanaf een satelliet
Minuscule stofdeeltjes in de atmosfeer kunnen het klimaat zowel verder opwarmen als afkoelen. Deze effecten worden nog maar matig begrepen, en vormen de grootste bron van onvoorspelbaarheid binnen klimaatmodellen. Gedetailleerde metingen aan deze stofdeeltjes zijn dus noodzakelijk. Niet alleen om de hoeveelheid fijnstof te meten, maar vooral ook om de typische grootte en de samenstellingen van de deeltjes te achterhalen. Soortgelijke karakterisatie is ook nodig om de effecten van fijnstof door luchtvervuiling op de gezondheid te onderzoeken.
Stofdeeltjes verstrooien zonlicht
Er zijn zowel lokale grondmetingen nodig als vooral ook satellietmetingen om de effecten van fijnstof op globale schaal in kaart te brengen. Daartoe wordt het SPEX-instrument ontwikkeld. Het vangt het door stofdeeltjes verstrooide zonlicht op, en meet daarvan het spectrum en de polarisatie die informatie bevatten over de eigenschappen van de stofdeeltjes. Vooral de polarisatie-metingen moet bijzonder nauwkeurig uitgevoerd worden, voordat de metingen volledig kunnen worden geïnterpreteerd.
Record polarisatie-meten
Van Harten werkte tijdens zijn promotie aan een volledig nieuwe meetmethode voor polarisatie. Deze wordt geïmplementeerd met een aantal kleine glasplaatjes, waardoor het satelliet-instrument relatief goedkoop gebouwd en gelanceerd kan worden, omdat het weinig weegt. Ook hoeft het geen bewegende onderdelen te bevatten. In zijn proefschrift toont Van Harten aan dat deze nieuwe meetmethode ook nog eens uitermate nauwkeurig is. Het eerste prototype voldeed in het lab in Leiden al meteen aan de strenge vereisten voor een klimaatmissie. Van Harten: ‘Vergeleken met de huidige satellietinstrumenten is SPEX vele malen nauwkeuriger. Dit is een enorme sprong voorwaarts.’
Toepassing van sterrenkundige kennis
Het meetprincipe achter SPEX komt uit de sterrenkunde. In de jaren '70 ontdekte de NASA-wetenschapper James Hansen middels polarisatiemetingen vanaf de aarde dat de wolken op de planeet Venus bestaan uit sterk geconcentreerd zwavelzuur. Met behulp van geavanceerde instrumenten op grote telescopen proberen Leidse sterrenkundigen soortgelijke metingen nu uit te voeren aan exoplaneten. Dit zijn planeten rond andere sterren dan de zon. Nadat Hansen in de jaren '80 zijn onderzoeksveld verlegde naar het aardse klimaat, bleken deze metingen ook op aarde cruciaal. Het SPEX-instrument kan nu dus voor het eerst de benodigde informatie over de effecten van fijnstof op klimaatverandering gaan vergaren. Hansen -inmiddels een beroemd klimaatwetenschapper- neemt daarom ook zitting in de promotiecommissie van Van Harten.
SPEX op een vliegtuig
De eerste SPEX-metingen aan fijnstof werden al uitgevoerd door Van Harten, met een speciaal gebouwd instrument voor een grondstation, in opdracht van het RIVM. Deze metingen lieten al een weelde aan nieuwe informatie en mogelijkheden zien. De volgende stap richting een satelliet wordt nu gezet door SRON, dat het nauwkeurig gekalibreerde SPEX-instrument in de zomer van 2015 zal vliegen op een onderzoeksvliegtuig van NASA. ‘Deze vluchten zijn een ultieme testcase voor de uiteindelijke waarnemingen vanuit een satelliet,’ aldus Van Harten. ‘Vanuit mijn toekomstige positie bij het JPL-instituut van NASA zal ik de resultaten met veel belangstelling tegemoet zien.’