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Interaktive Karte zur Darstellung der Sentinel-5P Daten für den Sickstoffdioxid Gehalt der Troposphäre.

Im folgendem wird versucht das komplexe Thema auf einfache Weise zu veranschaulichen.

Über CodeforCologne [OK-Lab Köln]

Das CodeforCologne Meetup ist ein zwei wöchentliches Treffen um Anwendungen, freie Daten und Visualisierungen zu erstellen und Wissen auszutauschen.

CodeforCologne

Hilfe

Die Sentinel-5P NO 2 Daten des Vortages werden täglich um 19 Uhr mittels des Sentinel-5P Downloaders der Emissions-API aufbereitet. Es wird dabei der Datensatz "nitrogendioxide_tropospheric_column" verwendet, also der modellierte NO 2 Gehalt der Troposphäre. Werte mit einer Qualität (qa_value) < 0,75 werden entsprechend der Empfehlungen der ESA ausgefiltert. Ansonsten hätte die Bewölkung einen zu großen Einfluss ( Algorithm Theoretical Basis Document). Mehr dazu bei den Hintergrundinformationen.
Das Gebiet umfasst die deutschsprachigen Länder, sowie den Norden Italiens (Länge: 5°-18°, Breite: 44°-56°). Die italienische Po-Ebene mit ihren Ballungs- und Industriezentren ist zumeist stark belastet. Durch die geographische Lage (Talkessel) ist diese Region schlecht belüftet, und so kann sich der Smog auch oft recht lange halten.

Das Untersuchungsgebiet wird jeden Tag zumindest zweimal aufgenommen. Die Umlaufbahnen (Orbits) des ausgewählten Tages können auch einzeln angewählt werden:

Orbits umschalten.

Die Uhrzeit ist in der mittleren Greenwich-Zeit (GMT) angegeben und weicht um minus 1 Stunde von unserer mitteleuropäischen Zeit ab, bzw. minus 2 Stunden von der Mitteleuropäischen Sommerzeit.

Auswahl des Datums:

Auswahl des Datums

Es werden die Daten der zwei letzten Orbit Zyklen vorgehalten (32 Tage).

Durch anklicken eines Messpunktes werden die modellierten NO 2 Werte dargestellt, sowie Informationen zur Lage und der Qualität des Wertes .

FeatureInfo

Des weiteren kann dort der Geodatensatz des entsprechenden Tages im GeoJson Format herunter geladen werden.

Durch ein Anklicken des Augensymbols in der linken oberen Ecke der Bedienwerkzeuge lassen sich diese weg schalten, um auch bei mobilen Endgeräten genug Platz für die Kartendarstellung zu haben:

Auswahl dB

Hintergrundinformationen

Der europäische Umweltsatellit Sentinel 5-Precursor (Precursor = Vorgänger) ist im Oktober 2017 gestartet. Der Schwerpunkt liegt auf der Beobachtung der Luftverschmutzung. Die eigentliche Sentinel-5 Mission soll 2021 starten. Der Sentinel 5-P schließt Teile der Datenlücke zwischen dem 2012 ausgefallenen Envisat Satelliten und der zukünftigen Sentinel-5-Mission.

An Bord des Satelliten befindet sich als einziges Messinstrument TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument), ein Spektrometer der in verschiedenen Messbereichen die Reflexion (zurückgeworfenes Licht) und Emission (von der Oberfläche selbst ausgesandte Strahlung) der Erdoberfläche misst.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Eckdaten:

Start 13. Oktober 2017
Bahnhöhe 824 km
Umlaufzeit 101 min (polare Bahn)
Orbit Cycle 16 days (14 orbits per day, 227 orbits per cycle)
Instrument TROPOspheric Monitoring Instrument
Messung jede Sekunde eine Fläche von 2670 km × 7 km (ab 8/2019 5,6 km) *
Räumliche Auflösung 7 * 3,5 km, bzw. ab 8/2019 5,6 * 3,5 km
Update "Near Real Time" Produkte maximal drei Stunden nach der Messung
Update "Offline" Produkte innerhalb von 5 Tagen
Update "Reprocessed" Produkte nach Bedarf

* Ultraviolettes Licht 5,6 * 28 km, kurzwelliges Infrarot 5,6 * 7 km

Die folgende Abbildung stellt die Aufnahmegeometrie und Abdeckung dar:

Abdeckung und Aufnahmegeometrie

Abbildung 1: Aufnahmegeometrie und Abdeckung der Sentinel-5P Mission, Quelle & Copyright ESA

Die oben angegebene räumliche Auflösung gilt nur im Nadir, der kürzesten Distanz zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche. Zu den Rändern hin des 2670 km breiten Aufnahmestreifen (Swath-width) nimmt die räumliche Auflösung durch die schräge Aufnahmegeometrie entsprechend ab, auf ca. 9 km.

Aus der Abbildung ist ebenfalls die fast polare Umlaufbahn des Satelliten zu erkennen. Mit dem passiven Spektrometer sind in der Nacht keine Aufnahmen möglich.

Ebenfalls kann der Abbildung die zeitliche Abdeckung der Erde entnommen werden. Da die Aufnahmen im Bereich des Äquators nicht die gesamte Fläche abdecken, dauert es hier bis zu zwei Tagen. Europa wird täglich mindestens einmal erfasst, durch die überlappenden Orbits einige Regionen auch mehrmals.

Es werden die folgenden Frequenzbereiche von dem Spektrometer gemessen (Wellenlänge in nm):

L1B_RA_BD1 270 – 300 (UV) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD2 300 – 320 (UV) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD3 320 – 405 (UVIS) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD4 405 – 500 (UVIS) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD5 675 – 725 (NIR) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD6 725 – 775 (NIR) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD7 2305-2345 (SWIR) Strahlungsdichte
L1B_RA_BD8 2345-2385 (SWIR) Strahlungsdichte
IR_UVN 270-775 (UVN) Bestrahlungsstärke
IR_SIR 2305-2385 (SWIT) Bestrahlungsstärke

Diese Messungen sind die Level 1B Produkte.

Die Bestrahlungsstärke gibt an, wie viel Watt an Lichtleistung auf eine beleuchteter Fläche auftreffen (in Watt je Quadratmeter).
Die Strahlungsdichte gibt an, wie viel Watt an Lichtleistung von einer leuchtenden Fläche im Raumwinkel ausgehen (in Watt je Quadratmeter und Steradiant).
siehe Photometrische Grundbegriffe

Mittels dieser Messwerte werden die folgenden Level 2 Produkte modelliert:

L2__O3____ Ozone (O 3) total column
L2__O3_TCL Ozone (O 3) tropospheric column
L2__O3__PR Ozone (O 3) profile
L2__O3_TPR Ozone (O 3) tropospheric profile
L2__NO2___ Nitrogen Dioxide (NO 2), total and tropospheric columns
L2__SO2___ Sulfur Dioxide (SO 2) total column
L2__CO____ Carbon Monoxide (CO) total column
L2__CH4___ Methane (CH 4) total column
L2__HCHO__ Formaldehyde (HCHO) total column
L2__CLOUD_ Cloud fraction, albedo, top pressure
L2__AER_AI UV Aerosol Index
L2__AER_LH Aerosol Layer Height (mid-level pressure)
UV product Surface Irradiance/erythemal dose
L2__NP_BDx, x=3, 6, 7 Suomi-NPP VIIRS Clouds (Modis kompatibel)

Details zu den Produkten und Algorithmen gibt es auf der Seite der ESA.

Jeder Stoff besitzt ein charakteristisches Spektrum, dargestellt für NO 2 in der Abbildung unten.

NO2 Spektrum

Abbildung 2: NO 2 Spektrum. Quelle und Copyright: Hawe, Eamonn & Fitzpatrick, Carol & Chambers, Paul & Lewis, Elfed. (2007). An investigation into the use of an integrating sphere as a gas absorption cell. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 9. 10.1088/1464-4258/9/6/S03.

Aus den Level 1B Produkten und zusätzlichen Informationen wird dann der NO 2 Gehalt der Atmosphäre abgeleitet in drei Schritten:

  1. Ableitung der NO 2 Dichte (slant column density) durch eine differentielle optische Absorptionsspektroskopie aus den Level 1B Produkten.
  2. Trennung in einen troposphärischen und stratosphärischen Anteil auf Basis einer meteorologischen Datenassimilation.
  3. Ableitung des No 2 Gehaltes der Troposphäre mittels eines Luftmassenfaktors und eines chemischen Transportmodells (TM5-MP model), Details im ATBD Doklument.

Zu beachten ist, dass die räumliche Auflösung des Satelliten im Nadir Bereich zumeist höher ist, als die in den verwendeten Modellen und Tabellen.

Praktische Verwendung der Level 2 Produkte

Wichtig! Die Level 2 Produkte des Sentinel-5P sollten nicht mit den Daten des Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) verwechselt werden. Dort stehen für Europa stündliche Modelldaten für acht Höhenstufen zur Verfügung. Zur Zeit (4/2020) werden Daten von acht unterschiedliche Modellen angeboten mit einer räumlichen Auflösung von 0,1° * 0,1°.
Bis jetzt fließen die Level 2 Daten noch nicht wieder in die produktiven CAMS Modelle mit ein, die NO 2 Daten sind aber seit Juli 2018 Bestandteil des "monitoring mode" im operationalen CAMS System ( The use of Sentinel-5P air quality data by CAMS).

Neben den Höhenstufen sind auch die Einheiten zwischen den CAMS Modellen und den Sentinel NO 2 Daten nicht vergleichbar, und können auch nicht so einfach umgerechnet werden.

Verfügbare Datensätze

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