Op 31 januari NASA beëindigde de bijna 14-jarige ontdekkingscarrière van de Tropospheric Emission Spectrometer (TES). Gelanceerd in 2004 op NASA's Aura-ruimtevaartuig, TES was het eerste instrument dat werd ontworpen om ozon in de laagste lagen van de atmosfeer rechtstreeks vanuit de ruimte te meten. De waarnemingen met hoge resolutie leidden tot nieuwe metingen van atmosferische gassen die ons begrip van het aardsysteem hebben veranderd.

TES was gepland voor een missie van vijf jaar, maar duurde veel langer dan die termijn. Een mechanische arm op het instrument begon in 2010 met tussenpozen te haperen waardoor het vermogen van TES om continu gegevens te verzamelen, wordt aangetast. Het TES-operatieteam paste zich aan door het instrument te bedienen om de wetenschappelijke operaties in de loop van de tijd te maximaliseren, proberen de dataset zo lang mogelijk uit te breiden. Echter, de vertraging nam toe tot het punt dat TES ongeveer de helft van vorig jaar zijn activiteiten verloor. De lacunes in de gegevens belemmerden het gebruik van TES-gegevens voor onderzoek, wat leidde tot het besluit van NASA om het instrument te ontmantelen. Het blijft op de Aura-satelliet, voldoende stroom krijgt om te voorkomen dat het zo koud wordt dat het kan breken en de twee resterende functionerende instrumenten kan beïnvloeden.

"Het feit dat het instrument zo lang meeging als het deed, getuigt van de vasthoudendheid van de instrumententeams die verantwoordelijk zijn voor het ontwerpen, het instrument bouwen en bedienen, " zei Kevin Bowman van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, de TES-hoofdonderzoeker.

Een echte aarde-systeemsirene

TES is oorspronkelijk ontworpen om ozon in de troposfeer te meten, de atmosfeerlaag tussen het oppervlak en de hoogte waar intercontinentale jets vliegen, met behulp van waarnemingen met hoge spectrale resolutie van thermische infraroodstraling. Echter, TES wierp een breder net, het vastleggen van handtekeningen van een breed scala aan andere atmosferische gassen en ozon. Door die flexibiliteit kon het instrument bijdragen aan een breed scala aan onderzoeken - niet alleen atmosferische chemie en de effecten van klimaatverandering, maar studies van de kringlopen van water, stikstof en koolstof.

Een van de verrassingen van de missie was de meting van zwaar water:watermoleculen bestaande uit deuterium, een isotoop van waterstof die meer neutronen heeft dan normale waterstof. De verhouding van deuterium tot "normaal" water in waterdamp geeft aanwijzingen voor de geschiedenis van de damp - hoe het in het verleden verdampte en viel als neerslag - wat op zijn beurt wetenschappers helpt te onderscheiden wat de hoeveelheid in de atmosfeer regelt.

Gegevens over zwaar water hebben geleid tot fundamentele vooruitgang in ons begrip van de watercyclus die voorheen niet mogelijk was, zoals hoe tropische onweersbuien de troposfeer gehydrateerd houden, hoeveel water in de atmosfeer wordt verdampt uit planten en grond in vergelijking met oppervlaktewater, en hoe water "uitgeademd" uit de zuidelijke Amazone-vegetatie het regenseizoen van het regenwoud een vliegende start geeft. JPL-wetenschapper John Worden, de pionier van deze meting, zei, "Het is een van de belangrijkste toepassingen van TES geworden. Het geeft ons een uniek inzicht in de hydrologische cyclus van de aarde."

Hoewel de stikstofcyclus niet zo goed wordt gemeten of begrepen als de watercyclus, stikstof maakt 78 procent van de atmosfeer uit, en de omzetting ervan in andere chemische verbindingen is essentieel voor het leven. TES demonstreerde de eerste ruimtemeting van een belangrijke stikstofverbinding, ammoniak. Deze verbinding is een veel gebruikte meststof voor de landbouw in vaste vorm, maar als een gas, het reageert met andere verbindingen in de atmosfeer om schadelijke verontreinigende stoffen te vormen.

Een andere stikstofverbinding, peroxyacetylnitraat (PAN), kan door branden en menselijke emissies in de troposfeer worden geheven. Grotendeels onzichtbaar in gegevens verzameld op grondniveau, deze verontreinigende stof kan grote afstanden afleggen voordat het weer aan de oppervlakte komt, waar het ozon kan vormen. TES liet zien hoe PAN wereldwijd varieerde, inclusief hoe branden de verspreiding ervan beïnvloedden. "TES heeft echt de weg vrijgemaakt voor ons wereldwijde begrip van zowel PAN als [ammoniak], twee hoeksteensoorten in de atmosferische stikstofcyclus, " zei Emily Fischer, een assistent-professor in de afdeling atmosferische wetenschappen aan de Colorado State University, Fort Collins.

De drie gezichten van ozon

Ozon, een gas met zowel natuurlijke als menselijke bronnen, staat bekend om zijn meerdere 'persoonlijkheden'. In de stratosfeer is ozon goedaardig, de aarde beschermen tegen inkomende ultraviolette straling. In de troposfeer, het heeft twee verschillende schadelijke functies, afhankelijk van hoogte. Op grondniveau is het een verontreinigende stof die levende planten en dieren schade toebrengt, inclusief mensen. Hoger in de troposfeer, het is het derde belangrijkste door de mens geproduceerde broeikasgas, uitgaande warmtestraling op te vangen en de atmosfeer op te warmen.

TES-gegevens, in combinatie met gegevens van andere instrumenten over Aura, werden gebruikt om deze persoonlijkheden te ontwarren, wat leidt tot een aanzienlijk beter begrip van ozon en de impact ervan op de menselijke gezondheid, klimaat en andere delen van het aardsysteem.

Luchtstromen in de midden- tot hogere troposfeer vervoeren ozon niet alleen over continenten, maar ook over oceanen naar andere continenten. Een onderzoek uit 2015 met behulp van TES-metingen wees uit dat de troposferische ozonniveaus van de Amerikaanse westkust hoger waren dan verwacht, gezien de verminderde uitstoot in de VS, deels vanwege ozon dat vanuit China over de Stille Oceaan naar binnen waaide. De snelle groei van de Aziatische emissies van voorlopergassen – gassen die op elkaar inwerken om ozon te creëren, waaronder koolmonoxide en stikstofdioxide, veranderde het wereldwijde landschap van ozon.

"TES is getuige geweest van dramatische veranderingen waarin de gassen die ozon creëren worden geproduceerd. De opmerkelijk stabiele metingen van TES en het vermogen om de lagen van de troposfeer op te lossen, stelden ons in staat om natuurlijke veranderingen te scheiden van die veroorzaakt door menselijke activiteiten, " zei JPL-wetenschapper Jessica Neu, een co-auteur van de studie.

Regionale veranderingen in de uitstoot van ozonprecursoren veranderen niet alleen de hoeveelheid ozon in de troposfeer, maar zijn efficiëntie als broeikasgas. Wetenschappers gebruikten TES-metingen van het broeikaseffect van ozon, gecombineerd met chemische weermodellen, om te kwantificeren hoe de wereldwijde patronen van deze emissies het klimaat hebben veranderd. "Om zowel de luchtkwaliteit te verbeteren als de klimaatverandering te verminderen, we moeten begrijpen hoe menselijke vervuilende emissies het klimaat beïnvloeden op de schaal waarop beleid wordt gevoerd [dat wil zeggen, op de schaal van een stad, staat of land]. TES-gegevens maakten de weg vrij voor de manier waarop satellieten een centrale rol zouden kunnen spelen, " zei Daven Henze, een universitair hoofddocent bij de afdeling werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Colorado in Boulder.

Een Pathfinder-missie

"TES was een pionier, het verzamelen van een geheel nieuwe reeks metingen met nieuwe technieken, die nu worden gebruikt door een nieuwe generatie instrumenten, " zei Bowman. Zijn opvolgersinstrumenten worden gebruikt voor zowel atmosferische monitoring als weersvoorspelling. Onder hen zijn het Cross-track Infrared Sounder (CrIS) -instrument van de National Oceanic and Atmospheric Administration op de NOAA-NASA Suomi-NPP-satelliet en de Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) serie, ontwikkeld door het Franse ruimteagentschap in samenwerking met EUMETSAT, de Europese meteorologische satellietorganisatie.

Cathy Clerbaux, een senior wetenschapper bij het Franse Centre National de la Recherche Scientifique die de leidende wetenschapper is in de IASI-serie, zei, "De invloed van TES op latere missies zoals de onze was erg belangrijk. TES toonde de mogelijkheid aan om de concentratie van atmosferische gassen af ​​te leiden door interferometrie te gebruiken om hun moleculaire eigenschappen te observeren. Hoewel er vergelijkbare instrumenten bestonden om de bovenste atmosfeer te klinken, TES was bijzonder in het toestaan ​​van metingen dichter bij het oppervlak, waar de vervuiling ligt. De wetenschappelijke resultaten die met IASI zijn verkregen, hebben enorm geprofiteerd van de nauwe samenwerking die we hebben ontwikkeld met de TES-wetenschappers."

TES-wetenschappers zijn op een andere manier pioniers geweest:door de metingen van het instrument te combineren met die van andere instrumenten om verbeterde datasets te produceren, onthullend meer dan de oorspronkelijke reeks waarnemingen. Bijvoorbeeld, het combineren van het Ozon Monitoring Instrument op Aura's metingen in ultraviolette golflengten met TES's thermische infraroodmetingen geeft een dataset met een verhoogde gevoeligheid voor luchtverontreinigende stoffen nabij het oppervlak.

Het team past die mogelijkheid nu toe op metingen door andere instrumentparen, bijvoorbeeld versterkte koolmonoxide (CO) van CrIS met CO en andere metingen van het TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) op de Copernicus Sentinel-5 Precursor-satelliet van de European Space Agency. "De toepassing van de TES-algoritmen op CrIS- en TROPOMI-gegevens zal het 18-jarige record van unieke koolmonoxidemetingen in de buurt van het oppervlak van [NASA's Terra'-satelliet's Measurement of Pollution in the Troposphere-instrument, voortzetten, of MOPITT] in het volgende decennium, " zei Helen Worden, een wetenschapper bij het National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, die zowel de hoofdonderzoeker van MOPITT als een lid van het TES-wetenschappelijk team is.

Deze nieuwe technieken die voor TES zijn ontwikkeld, samen met brede toepassingen in het hele systeem van de aarde, zorgen ervoor dat de erfenis van de missie zal voortduren tot lang na het definitieve afscheid van TES.