Aardbevingen voorspellen vanuit de ruimte

r. Boudewijn Ambrosius. Hij neemt vanuit de ruimte oceaanstromingen, aardscheuren en andere natuurfenomenen onder de loep.

Satellieten doen het schijnbaar onmogelijke. Op twintigduizend meter hoogte, cirkelend rond de aarde, kijken ze met speciale sensoren naar beneden en zien details van enkele meters. Ook fungeren ze als baken op aarde. Militairen gebruiken bijvoorbeeld speciale aardmeetkundige satellieten om hun positie te bepalen. Eigenlijk zoals schippers zich oriënteren als ze een vuurtoren zien.

Een probleem is echter dat satellieten soms onverwacht van richting veranderen. Als die wendingen niet bekend zijn, zijn satellieten geen betrouwbaar referentiepunt meer en laten ze een ander deel van de aarde zien dan wordt aangenomen. Een door de satelliet gedetecteerde warme oceaanstroom krijgt dan bijvoorbeeld de verkeerde coördinaten mee.

Prof.dr. Boudewijn Ambrosius, die begin deze maand zijn intreerede hield als nieuwe hoogleraar astrodynamica en satellietsystemen, probeert grip te krijgen op de zigzaggende satellieten. De satellietspecialist is sinds 1971 werkzaam bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en houdt zich al vanaf zijn jeugd bezig met satellieten zoals de ‘Rangers’, die onbemand naar de maan vlogen.

,,Over de aarde vliegend, voelt een satelliet de zwaartekracht veranderen als gevolg van dichtheidsvariaties in het inwendige van de aarde”, zegt Ambrosius. Een satelliet kan hierdoor kilometers afwijken van haar originele baan.

Ook de stralingsdruk van de zon laat satellieten niet onberoerd. ,,Zonlicht blaast satellieten uit hun koers.” Volgens Ambrosius geeft dit aan hoe supergevoelig satellieten zijn. Ondanks hun enorme snelheid van zo’n dertigduizend kilometer per uur, kan een klein tikje al voor een grote koerswijziging zorgen. Eenmaal een andere weg ingeslagen, raakt de satelliet na elk rondje om de aarde verder verwijderd van haar originele baan.

De invloed van de zon calculeerden de experts sinds het begin van de jaren tachtig in, maar ze vergaten iets. ,,In 1986 volgden we de LAGEOS-1 satelliet. Alles ging prima, totdat toevallig vanaf mijn verjaardag, 9 april, de berekende baan steeds slechter bij de metingen ging passen. Na weken van tobben zag ik in dat de satelliet een zonsverduistering had meegemaakt. Hierdoor viel de stralingsdruk even weg. De satelliet week hierdoor elke week een meter verder af van haar originele baan.”

Rotsformatie

Na vele jaren onderzoek en bijstellen van de berekeningen, lijkt het er nu op dat de experts de metalen verkenners goed in de tang hebben. De meeste satellieten nemen precies die route die berekend is, en hun positie is ieder moment van het jaar bekend. ,,Niet met een precisie van enkele meters zoals twintig jaar geleden, maar met een precisie van enkele millimeters.” De consequentie is dat ook landmetingen en positiebepalingen op aarde met behulp van satellieten nu heel nauwkeurig zijn.

Het aardwetenschappelijk onderzoek vaart hier wel bij. Geologen kunnen nu met satellietgegevens bewegingen in de aardkorst van enkele centimeters per jaar vrij gemakkelijk aantonen.

Zij gebruiken het zogeheten Global Positioning System (GPS), dat werkt op basis van vierentwintig satellieten waarvan de exacte positie bekend is. Door de radiosignalen op te vangen van een aantal GPS-satellieten, is de positie van een punt op aarde te bepalen. Geologen nemen een herkenbaar punt zoals een bepaalde rotsformatie, en kijken of zo’n punt zich verplaatst. Een paar centimeter per jaar kan al wijzen op grote spanningen in de aardkorst, vertelt Ambrosius.

Spanning

Zijn groep stelde met GPS-metingen in 1994 vast dat er op het Indonesische eiland Soelawesi een zware aardbeving op komst is. ,,Er bouwt zich spanning op langs de zogeheten Palu Korobreuk. De gebieden aan weerszijden hiervan verplaatsen zich met een onderlinge snelheid van drie centimeter per jaar, maar de breuk zelf zit al honderd jaar ‘op slot’. Die spanning zal vrijkomen bij een grote aardbeving. De lokale autoriteiten kunnen nu hun bouwplannen bijstellen en veiligheidsmaatregelen nemen.”

Satellietgegevens kunnen ook een helderder kijk verschaffen op de platentektoniek; de grootschalige beweging van delen van de aardkorst zoals de Euro-Aziatische en Australische plaat.

,,In de jaren vijftig kwam de geoloog Alfred Wegener met de platentektoniektheorie, wat betekent dat de aardkorst bestaat uit verscheidene bewegende aardschollen of platen. Hij keek bijvoorbeeld naar de kustlijn van Afrika en Zuid-Amerika en concludeerde dat die continenten vroeger aan elkaar zaten. Later bepaalden geologen op basis van de ouderdom van gesteenten de bewegingssnelheid, maar zij hadden er geen notie van hoelang die bewegingen doorgaan. Dankzij satellietgegevens zien we dat de plaatbewegingen tegenwoordig even snel gaan als een paar miljoen jaar geleden. Ook zijn er aanwijzingen dat de continenten in de toekomst weer naar elkaar toe gaan bewegen.”

El Niño

Ook onderzoekt men nu met satellieten fenomenen waar nooit iemand aan had gedacht toen de ruimtevaart begon, zegt Ambrosius. Dit zijn de oceanen. Oceanografen brengen de topografie van het zeeoppervlak bijzonder nauwkeurig in kaart. ,,Vanuit Scheveningen is het niet te zien, maar vanuit de ruimte zie je dat de aarde met haar oceanen geen biljartbal is. Je vindt in zee tot honderdtwintig meter diepe troggen en even zo hoge bergen.”

Subtieler, maar misschien nog belangrijker, zijn de kleine hoogtevariaties ten gevolge van oceaanstromingen. Het gaat om enkele tientallen centimeters. Die zijn betrekkelijk eenvoudig waar te nemen met radarbeelden van de Europese ERS – satellieten. ,,Door deze hoogtewaarnemingen te combineren met zeer nauwkeurige positiebepalingen van de satelliet, kunnen we El Niño uitstekend in kaart brengen, een warme zeestroom die eens in de paar jaar voorkomt voor de kust van Zuid-Amerika, en verantwoordelijk is voor het kelderen van visvangsten.”

De detectie van oceaanstromingen is ook erg nuttig voor schippers. ,,Door stromingen op een gunstige manier over te steken, kunnen ze aardig wat dieselolie besparen. En vissers kunnen grote viszwermen opsporen, want die komen af op warme stromingen.”

Ambrosius is enthousiast over de op handen zijnde lanceringen van nieuwe satellieten zoals de Europese Envisat-satelliet. Die is in staat de grenzen van ijsmassa’s heel nauwkeurig te detecteren en kan zo misschien antwoord geven op de vraag of de ijskappen nu smelten of niet, en of het klimaat verandert.

De groep van Ambrosius zal proberen de route van de nieuwe kunstmatige verkenners zo exact mogelijk te voorspellen. ,,Want met elke verbetering van de nauwkeurigheid, komen meer details en toepassingsmogelijkheden binnen bereik.”

In Zuidoost Azië is waarschijnlijk een tektonische plaat, een nieuwe zone met grootschalige beweging van delen van de aardkorst, aan het ontstaan. Dat concludeert dr. Marleen Nyst, die afgelopen maandag aan de TU promoveerde.

Het zogeheten Soendablok, de regio waar Maleisië en Thailand te vinden zijn evenals de Indonesische eilanden Soelawesi en Borneo, schuift met een roterende beweging langs de Euro-Aziatische plaat, met een snelheid van enkele millimeters per jaar, ondekte Nyst. De breuk ligt volgens haar in het zuidoosten van China. De Chinezen kunnen rekenen op vrij zware aardbevingen.

De promovendus maakte voor haar onderzoek gebruik van het Global Positioning System. ,,Met draagbare ontvangers gaan we het veld in en maken contact met de GPS-satellieten die speciaal dienen voor positiebepalingen op aarde”, legt Nyst uit. ,,We ontvangen de radiogolven van een aantal GPS-satellieten waarvan de positie bekend is en met behulp van een laptop kunnen we dan onze eigen positie bepalen. We doen dit elk jaar op een aantal herkenbare punten. Als de punten zijn verschoven, weet je dat de aardkorst in beweging is.”

Tot vijftien jaar geleden bepaalden geologen bewegingen in de aardkorst op basis van gegevens over aardbevingen en de ouderdom van gesteenten. Ze kijken bijvoorbeeld naar twee continenten en middelen de afstand tussen de continenten over miljoenen jaren, wat ongeveer de ouderdom van de gesteenten op de continentranden is. De snelheden die ze berekenen, is in feite een grof gemiddelde over miljoenen jaren. Dankzij GPS-metingen kan nu ook op een tijdschaal van jaren gemeten worden. ,,Voor het binnenste deel van de tektonische platen blijken de snelheden vrij constant te zijn, maar in de breukzones gaat de beweging meer met horten en stoten”,aldus Nyst.

De grillige banen van satellieten moeten met uiterste precisie bekend zijn. Alleen dan zijn satellieten goed te gebruiken voor positiebepalingen op aarde, meent prof.dr. Boudewijn Ambrosius. Hij neemt vanuit de ruimte oceaanstromingen, aardscheuren en andere natuurfenomenen onder de loep.

Satellieten doen het schijnbaar onmogelijke. Op twintigduizend meter hoogte, cirkelend rond de aarde, kijken ze met speciale sensoren naar beneden en zien details van enkele meters. Ook fungeren ze als baken op aarde. Militairen gebruiken bijvoorbeeld speciale aardmeetkundige satellieten om hun positie te bepalen. Eigenlijk zoals schippers zich oriënteren als ze een vuurtoren zien.

Een probleem is echter dat satellieten soms onverwacht van richting veranderen. Als die wendingen niet bekend zijn, zijn satellieten geen betrouwbaar referentiepunt meer en laten ze een ander deel van de aarde zien dan wordt aangenomen. Een door de satelliet gedetecteerde warme oceaanstroom krijgt dan bijvoorbeeld de verkeerde coördinaten mee.

Prof.dr. Boudewijn Ambrosius, die begin deze maand zijn intreerede hield als nieuwe hoogleraar astrodynamica en satellietsystemen, probeert grip te krijgen op de zigzaggende satellieten. De satellietspecialist is sinds 1971 werkzaam bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en houdt zich al vanaf zijn jeugd bezig met satellieten zoals de ‘Rangers’, die onbemand naar de maan vlogen.

,,Over de aarde vliegend, voelt een satelliet de zwaartekracht veranderen als gevolg van dichtheidsvariaties in het inwendige van de aarde”, zegt Ambrosius. Een satelliet kan hierdoor kilometers afwijken van haar originele baan.

Ook de stralingsdruk van de zon laat satellieten niet onberoerd. ,,Zonlicht blaast satellieten uit hun koers.” Volgens Ambrosius geeft dit aan hoe supergevoelig satellieten zijn. Ondanks hun enorme snelheid van zo’n dertigduizend kilometer per uur, kan een klein tikje al voor een grote koerswijziging zorgen. Eenmaal een andere weg ingeslagen, raakt de satelliet na elk rondje om de aarde verder verwijderd van haar originele baan.

De invloed van de zon calculeerden de experts sinds het begin van de jaren tachtig in, maar ze vergaten iets. ,,In 1986 volgden we de LAGEOS-1 satelliet. Alles ging prima, totdat toevallig vanaf mijn verjaardag, 9 april, de berekende baan steeds slechter bij de metingen ging passen. Na weken van tobben zag ik in dat de satelliet een zonsverduistering had meegemaakt. Hierdoor viel de stralingsdruk even weg. De satelliet week hierdoor elke week een meter verder af van haar originele baan.”

Rotsformatie

Na vele jaren onderzoek en bijstellen van de berekeningen, lijkt het er nu op dat de experts de metalen verkenners goed in de tang hebben. De meeste satellieten nemen precies die route die berekend is, en hun positie is ieder moment van het jaar bekend. ,,Niet met een precisie van enkele meters zoals twintig jaar geleden, maar met een precisie van enkele millimeters.” De consequentie is dat ook landmetingen en positiebepalingen op aarde met behulp van satellieten nu heel nauwkeurig zijn.

Het aardwetenschappelijk onderzoek vaart hier wel bij. Geologen kunnen nu met satellietgegevens bewegingen in de aardkorst van enkele centimeters per jaar vrij gemakkelijk aantonen.

Zij gebruiken het zogeheten Global Positioning System (GPS), dat werkt op basis van vierentwintig satellieten waarvan de exacte positie bekend is. Door de radiosignalen op te vangen van een aantal GPS-satellieten, is de positie van een punt op aarde te bepalen. Geologen nemen een herkenbaar punt zoals een bepaalde rotsformatie, en kijken of zo’n punt zich verplaatst. Een paar centimeter per jaar kan al wijzen op grote spanningen in de aardkorst, vertelt Ambrosius.

Spanning

Zijn groep stelde met GPS-metingen in 1994 vast dat er op het Indonesische eiland Soelawesi een zware aardbeving op komst is. ,,Er bouwt zich spanning op langs de zogeheten Palu Korobreuk. De gebieden aan weerszijden hiervan verplaatsen zich met een onderlinge snelheid van drie centimeter per jaar, maar de breuk zelf zit al honderd jaar ‘op slot’. Die spanning zal vrijkomen bij een grote aardbeving. De lokale autoriteiten kunnen nu hun bouwplannen bijstellen en veiligheidsmaatregelen nemen.”

Satellietgegevens kunnen ook een helderder kijk verschaffen op de platentektoniek; de grootschalige beweging van delen van de aardkorst zoals de Euro-Aziatische en Australische plaat.

,,In de jaren vijftig kwam de geoloog Alfred Wegener met de platentektoniektheorie, wat betekent dat de aardkorst bestaat uit verscheidene bewegende aardschollen of platen. Hij keek bijvoorbeeld naar de kustlijn van Afrika en Zuid-Amerika en concludeerde dat die continenten vroeger aan elkaar zaten. Later bepaalden geologen op basis van de ouderdom van gesteenten de bewegingssnelheid, maar zij hadden er geen notie van hoelang die bewegingen doorgaan. Dankzij satellietgegevens zien we dat de plaatbewegingen tegenwoordig even snel gaan als een paar miljoen jaar geleden. Ook zijn er aanwijzingen dat de continenten in de toekomst weer naar elkaar toe gaan bewegen.”

El Niño

Ook onderzoekt men nu met satellieten fenomenen waar nooit iemand aan had gedacht toen de ruimtevaart begon, zegt Ambrosius. Dit zijn de oceanen. Oceanografen brengen de topografie van het zeeoppervlak bijzonder nauwkeurig in kaart. ,,Vanuit Scheveningen is het niet te zien, maar vanuit de ruimte zie je dat de aarde met haar oceanen geen biljartbal is. Je vindt in zee tot honderdtwintig meter diepe troggen en even zo hoge bergen.”

Subtieler, maar misschien nog belangrijker, zijn de kleine hoogtevariaties ten gevolge van oceaanstromingen. Het gaat om enkele tientallen centimeters. Die zijn betrekkelijk eenvoudig waar te nemen met radarbeelden van de Europese ERS – satellieten. ,,Door deze hoogtewaarnemingen te combineren met zeer nauwkeurige positiebepalingen van de satelliet, kunnen we El Niño uitstekend in kaart brengen, een warme zeestroom die eens in de paar jaar voorkomt voor de kust van Zuid-Amerika, en verantwoordelijk is voor het kelderen van visvangsten.”

De detectie van oceaanstromingen is ook erg nuttig voor schippers. ,,Door stromingen op een gunstige manier over te steken, kunnen ze aardig wat dieselolie besparen. En vissers kunnen grote viszwermen opsporen, want die komen af op warme stromingen.”

Ambrosius is enthousiast over de op handen zijnde lanceringen van nieuwe satellieten zoals de Europese Envisat-satelliet. Die is in staat de grenzen van ijsmassa’s heel nauwkeurig te detecteren en kan zo misschien antwoord geven op de vraag of de ijskappen nu smelten of niet, en of het klimaat verandert.

De groep van Ambrosius zal proberen de route van de nieuwe kunstmatige verkenners zo exact mogelijk te voorspellen. ,,Want met elke verbetering van de nauwkeurigheid, komen meer details en toepassingsmogelijkheden binnen bereik.”

In Zuidoost Azië is waarschijnlijk een tektonische plaat, een nieuwe zone met grootschalige beweging van delen van de aardkorst, aan het ontstaan. Dat concludeert dr. Marleen Nyst, die afgelopen maandag aan de TU promoveerde.

Het zogeheten Soendablok, de regio waar Maleisië en Thailand te vinden zijn evenals de Indonesische eilanden Soelawesi en Borneo, schuift met een roterende beweging langs de Euro-Aziatische plaat, met een snelheid van enkele millimeters per jaar, ondekte Nyst. De breuk ligt volgens haar in het zuidoosten van China. De Chinezen kunnen rekenen op vrij zware aardbevingen.

De promovendus maakte voor haar onderzoek gebruik van het Global Positioning System. ,,Met draagbare ontvangers gaan we het veld in en maken contact met de GPS-satellieten die speciaal dienen voor positiebepalingen op aarde”, legt Nyst uit. ,,We ontvangen de radiogolven van een aantal GPS-satellieten waarvan de positie bekend is en met behulp van een laptop kunnen we dan onze eigen positie bepalen. We doen dit elk jaar op een aantal herkenbare punten. Als de punten zijn verschoven, weet je dat de aardkorst in beweging is.”

Tot vijftien jaar geleden bepaalden geologen bewegingen in de aardkorst op basis van gegevens over aardbevingen en de ouderdom van gesteenten. Ze kijken bijvoorbeeld naar twee continenten en middelen de afstand tussen de continenten over miljoenen jaren, wat ongeveer de ouderdom van de gesteenten op de continentranden is. De snelheden die ze berekenen, is in feite een grof gemiddelde over miljoenen jaren. Dankzij GPS-metingen kan nu ook op een tijdschaal van jaren gemeten worden. ,,Voor het binnenste deel van de tektonische platen blijken de snelheden vrij constant te zijn, maar in de breukzones gaat de beweging meer met horten en stoten”,aldus Nyst.