Een wit busje rijdt ’s nachts over een kruispunt. Vanaf het dak trekt een dunne groene laserstraal recht omhoog de duisternis in. Het oogt als een scène uit een sciencefictionfilm, maar achter dit soort meetwagens zit een heel praktische toepassing: zichtbaar maken waar vervuilende deeltjes in de lucht hangen.
China gebruikt mobiele lidar om de atmosfeer onderweg te onderzoeken. Daarmee kunnen onderzoekers ook boven straten en wijken kijken, waar gewone meetstations op de grond maar een deel van het verhaal vertellen. De techniek levert als het ware een doorsnede van de lucht op: op welke hoogte zitten deeltjes, hoe veranderen die lagen en waar trekt de vervuiling naartoe?
Een radar die licht gebruikt
Lidar staat voor Light Detection and Ranging. Het principe lijkt op radar, maar de apparatuur verstuurt lichtpulsen in plaats van radiogolven. Een klein deel van dat licht kaatst via luchtmoleculen en zwevende deeltjes terug. Een telescoop vangt het terugkerende signaal op, waarna gevoelige detectoren het registreren.
Door te meten hoeveel tijd tussen het uitzenden en ontvangen verstrijkt, berekent het systeem de afstand tot de deeltjes. Bij een omhoog gerichte bundel vertelt dat op welke hoogte ze zich bevinden. NASA beschrijft dit principe voor zijn netwerk van compacte meetlasers, die korte pulsen gebruiken om wolken en aerosolen in kaart te brengen.
Die aerosolen zijn kleine vaste deeltjes of druppeltjes die door de lucht zweven. Daaronder vallen bijvoorbeeld stof, rook en zeezout. De hoeveelheid teruggestrooid licht geeft informatie over hun verdeling. Met aanvullende meetkanalen kunnen onderzoekers ook aanwijzingen krijgen over de eigenschappen van de deeltjes.
Waarom is de straal groen?
Veel atmosferische lidars werken onder meer met licht rond 532 nanometer, een golflengte in het groene deel van het zichtbare spectrum. NASA gebruikt zulke meetkanalen bijvoorbeeld naast infrarood licht om de verspreiding en eigenschappen van deeltjes te onderzoeken. De precieze golflengten verschillen per instrument.
Een deel van het laserlicht wordt onderweg zijwaarts verstrooid. Daardoor kan een camera de bundel als een lijn vastleggen, zeker tegen een donkere nachtelijke achtergrond. De zichtbare straal is dus slechts het opvallendste onderdeel van een meetproces: de bruikbare informatie zit in het zwakke licht dat de ontvanger terugkrijgt.
Uit alleen zo’n groene lijn valt niet af te lezen hoe schoon de lucht is. Daarvoor zijn de metingen en de verwerking ervan nodig. Ook maakt één lichtkleur een apparaat nog niet geschikt om iedere vervuilende stof afzonderlijk te herkennen. Het soort laser, de ontvanger en de analysemethode bepalen wat het systeem kan meten.
Een meetstation dat naar de vervuiling toe rijdt
Het voordeel van een busje is zijn bewegingsvrijheid. Een vast meetstation volgt wat er op één plek gebeurt. Een mobiele lidar kan onderweg verschillende gebieden bemeten en verschillen tussen locaties zichtbaar maken. Samen bieden ze meer informatie over de verspreiding van luchtvervuiling dan één meetpunt alleen.
De Chinese Academie van Wetenschappen meldde in maart 2019 dat onderzoekers van het Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics zulke systemen hadden ontwikkeld en gecommercialiseerd. De voertuiggebonden apparatuur was bedoeld om snel profielen van regionale vervuiling te verzamelen en het ontstaan, verdwijnen en verplaatsen daarvan te onderzoeken.
Dat was toen al meer dan een laboratoriumproef. Rond de BRICS-top in Xiamen in september 2017 combineerden onderzoekers mobiele lidar met vaste meetpunten en andere optische instrumenten. Ze onderzochten daarmee onder meer hoe vervuiling vanuit omliggende gebieden werd aangevoerd. Voor fijnstof en ozon gebruikten ze verschillende meetmethoden.
Ook de lucht boven een stad telt mee
Juist die hoogte-informatie maakt lidar interessant. Een vervuilingslaag boven de stad kan aan een meetpunt op straat voorbijgaan. Door op verschillende hoogten en plaatsen te meten, krijgen onderzoekers een beter beeld van de luchtmassa’s die een gebied binnenkomen of verlaten. Dat helpt bij het begrijpen van patronen die met losse grondmetingen moeilijk te verklaren zijn.
De spectaculaire groene straal heeft daarmee een nuchter doel: luchtvervuiling ruimtelijk in beeld brengen. Het busje verandert een gewone autorit in een meetroute en maakt iets zichtbaar dat je vanaf de stoep nauwelijks kunt beoordelen. Boven die ogenschijnlijk lege straat hangt een hele wereld aan informatie.
