De aardmantel als gelzadel

Goedbeschouwd is de aarde geen bol, maar eerder een gebutst appeltje. Dan hebben we het niet over de diepe oceanen en hoge bergruggen, maar over de afwijkingen in het zwaartekrachtveld. De gravitatieconstante blijkt namelijk nogal te variëren, afhankelijk van de rotatie van de aarde, de plaats van gebergteketens en oceaantroggen en verschillen in de dichtheid van gesteenten in het inwendige van de aarde.

“Als je van Spanje naar Turkije vaart, en je meet je hoogte met een gps-ontvanger, dan zul je zien dat je door een dertig meter diepe kuil vaart”, vertelt dr. Bert Vermeersen. Hij is toegevoegd promotor van Hugo Schotman bij de afdeling aardobservatie en ruimtesystemen van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Dat komt doordat de waterspiegel het equipotentiaaloppervlak van het zwaartekrachtveld volgt”, legt Vermeersen uit. Het begrip ‘equipotentiaal’ betekent dat in dat vlak de zwaartekracht (gravitatie) constant blijft. De ‘kuil’ in de Middellandse Zee wordt veroorzaakt doordat er zich onder die plek minder massa bevindt. Daardoor is de zwaartekracht (een eigenschap van massa) plaatselijk minder, zodat er minder water naar toe getrokken wordt.

Een globale scan van de zwaartekracht levert een intrigerend plaatje op. De Amerikaans/Duitse gravitatiesatelliet Grace, die in 2002 gelanceerd werd, maakte zo’n beeld. De lokale zwaartekracht wordt uitgedrukt in het hoogteverschil tussen het zeeniveau dat er zou heersen en het gemiddelde zeeniveau van een aarde met homogene massaverdeling. Als je die hoogten op de aardbol projecteert, tekenen de butsen en bobbels van het zwaartekrachtveld zich af. Die oneffenheden zijn vaak sporen uit het geologische verleden. Of, zoals Vermeersen zegt: “De aarde herstelt nog steeds van de aanslagen die toen op haar zijn gepleegd.”

‘Toen’ was bijvoorbeeld de laatste ijstijd die rond twintigduizend jaar geleden zijn maximum had. Landijs lag toen vier kilometer dik opgetast boven Canada en boven Scandinavië zo’n tweeënhalve kilometer. Hugo Schotman laat in zijn proefschrift zien hoe de aarde onder die ijslast buigt als een gelzadel onder een drukkende duim. Recht onder de druk zakt het oppervlak naar beneden, maar de omgeving veert juist omhoog. Toen het ijs smolt, gebeurde het omgekeerde: de omgeving zakte terug en de voormalige ijsvlakte veerde op. Overigens gebeurt dat zo langzaam, dat Scandinavië nog steeds stijgt. Tweehonderd jaar oude boothuisjes langs de Botnische Golf staan hoog (en droog) boven de oever. Ze laten zien dat hier de bodem nog steeds een centimeter per jaar omhoog komt. De drijvende kracht zijn de taaie en onvoorstelbaar trage gesteentestromen die in de bovenmantel (tussen honderd en zevenhonderd kilometer diepte) terugstromen sinds de ijsdruk is weggevallen.

Terugvering van de bodem is een ingewikkeld proces, doordat er verschillende processen door elkaar spelen. Het bovenste gedeelte van de aarde, tot maximaal tweehonderd kilometer diepte, reageert snel en elastisch. Dat in tegenstelling tot de trage gesteentestromen in de diepe ondergrond. En dan zijn er ook nog gesteentestromen in de ondiepere ondergrond. Dat is waar de Europese Goce-satelliet (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) zich op richt. Hugo Schotman vergelijkt de ondiepe zones met een boterham met jam: bij een bepaalde druk perst het er gemakkelijk tussenuit, en het komt maar langzaam weer terug. Schotman analyseerde de gevoeligheid van de ESA-satelliet. Het instrument zal naar verwachting het zwaartekrachtveld zeer gevoelig en ongekend scherp in beeld brengen (met een resolutie van honderd kilometer).

Een beter begrip van de dynamiek en de samenstelling van de aardkorst en de onderliggende lagen komt van pas bij betere voorspellingen over de zeespiegelstijging. Afsmelting van landijs brengt meer water in de oceanen, waardoor de oceaanbodem een stukje inzakt en het land opveert. Die opvering vermindert de zeespiegelstijging aan de West-Europese kust gemiddeld met ongeveer tien procent. Maar eigenlijk kun je niet over ‘de zeespiegelstijging’ spreken, zegt Schotman. “Het is een erg lokaal gebeuren.” In Scandinavië bijvoorbeeld zakt het waterpeil nog steeds.

Dr.ir. Hugo Schotman: ‘Shallow-Earth Rheology from Glacial Isostasy and Satellite Gravity; a sensitivity analysis for GOCE’, 26 juni 2008, promotor: prof.ir. B.A.C. Ambrosius.

Het Goce-logo legt een verband tussen grote geologische processen. (Illustratie: ESA)

Goedbeschouwd is de aarde geen bol, maar eerder een gebutst appeltje. Dan hebben we het niet over de diepe oceanen en hoge bergruggen, maar over de afwijkingen in het zwaartekrachtveld. De gravitatieconstante blijkt namelijk nogal te variëren, afhankelijk van de rotatie van de aarde, de plaats van gebergteketens en oceaantroggen en verschillen in de dichtheid van gesteenten in het inwendige van de aarde.

“Als je van Spanje naar Turkije vaart, en je meet je hoogte met een gps-ontvanger, dan zul je zien dat je door een dertig meter diepe kuil vaart”, vertelt dr. Bert Vermeersen. Hij is toegevoegd promotor van Hugo Schotman bij de afdeling aardobservatie en ruimtesystemen van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Dat komt doordat de waterspiegel het equipotentiaaloppervlak van het zwaartekrachtveld volgt”, legt Vermeersen uit. Het begrip ‘equipotentiaal’ betekent dat in dat vlak de zwaartekracht (gravitatie) constant blijft. De ‘kuil’ in de Middellandse Zee wordt veroorzaakt doordat er zich onder die plek minder massa bevindt. Daardoor is de zwaartekracht (een eigenschap van massa) plaatselijk minder, zodat er minder water naar toe getrokken wordt.

Een globale scan van de zwaartekracht levert een intrigerend plaatje op. De Amerikaans/Duitse gravitatiesatelliet Grace, die in 2002 gelanceerd werd, maakte zo’n beeld. De lokale zwaartekracht wordt uitgedrukt in het hoogteverschil tussen het zeeniveau dat er zou heersen en het gemiddelde zeeniveau van een aarde met homogene massaverdeling. Als je die hoogten op de aardbol projecteert, tekenen de butsen en bobbels van het zwaartekrachtveld zich af. Die oneffenheden zijn vaak sporen uit het geologische verleden. Of, zoals Vermeersen zegt: “De aarde herstelt nog steeds van de aanslagen die toen op haar zijn gepleegd.”

‘Toen’ was bijvoorbeeld de laatste ijstijd die rond twintigduizend jaar geleden zijn maximum had. Landijs lag toen vier kilometer dik opgetast boven Canada en boven Scandinavië zo’n tweeënhalve kilometer. Hugo Schotman laat in zijn proefschrift zien hoe de aarde onder die ijslast buigt als een gelzadel onder een drukkende duim. Recht onder de druk zakt het oppervlak naar beneden, maar de omgeving veert juist omhoog. Toen het ijs smolt, gebeurde het omgekeerde: de omgeving zakte terug en de voormalige ijsvlakte veerde op. Overigens gebeurt dat zo langzaam, dat Scandinavië nog steeds stijgt. Tweehonderd jaar oude boothuisjes langs de Botnische Golf staan hoog (en droog) boven de oever. Ze laten zien dat hier de bodem nog steeds een centimeter per jaar omhoog komt. De drijvende kracht zijn de taaie en onvoorstelbaar trage gesteentestromen die in de bovenmantel (tussen honderd en zevenhonderd kilometer diepte) terugstromen sinds de ijsdruk is weggevallen.

Terugvering van de bodem is een ingewikkeld proces, doordat er verschillende processen door elkaar spelen. Het bovenste gedeelte van de aarde, tot maximaal tweehonderd kilometer diepte, reageert snel en elastisch. Dat in tegenstelling tot de trage gesteentestromen in de diepe ondergrond. En dan zijn er ook nog gesteentestromen in de ondiepere ondergrond. Dat is waar de Europese Goce-satelliet (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) zich op richt. Hugo Schotman vergelijkt de ondiepe zones met een boterham met jam: bij een bepaalde druk perst het er gemakkelijk tussenuit, en het komt maar langzaam weer terug. Schotman analyseerde de gevoeligheid van de ESA-satelliet. Het instrument zal naar verwachting het zwaartekrachtveld zeer gevoelig en ongekend scherp in beeld brengen (met een resolutie van honderd kilometer).

Een beter begrip van de dynamiek en de samenstelling van de aardkorst en de onderliggende lagen komt van pas bij betere voorspellingen over de zeespiegelstijging. Afsmelting van landijs brengt meer water in de oceanen, waardoor de oceaanbodem een stukje inzakt en het land opveert. Die opvering vermindert de zeespiegelstijging aan de West-Europese kust gemiddeld met ongeveer tien procent. Maar eigenlijk kun je niet over ‘de zeespiegelstijging’ spreken, zegt Schotman. “Het is een erg lokaal gebeuren.” In Scandinavië bijvoorbeeld zakt het waterpeil nog steeds.

Dr.ir. Hugo Schotman: ‘Shallow-Earth Rheology from Glacial Isostasy and Satellite Gravity; a sensitivity analysis for GOCE’, 26 juni 2008, promotor: prof.ir. B.A.C. Ambrosius.

Het Goce-logo legt een verband tussen grote geologische processen. (Illustratie: ESA)