El Nino tot op de centimeter nauwkeurig volgen. Het kan dankzij satellietmissies als Grace en het nieuwe Goce. Van Grace komen deze maand de eerste data vrij, waarmee het Delftse Deos kaarten van zeestromingen maakt.
/strong>
Ze kunnen niet zonder elkaar. En ze zijn in maart 2002 met een omgebouwde Russische kernraket in een baan om de aarde gebracht. Het gaat hier over Grace, de twee Amerikaans-Duitse satellieten die op een hoogte van 485 kilometer zestien keer per dag richting Noordpool cirkelen. Het duo brengt al vliegend het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart.
Het Delftse Deos (Department for Earth Observation and Space Research), de onder de vleugels van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek herboren geodesiegroep, wil Grace gebruiken om een kaart te maken van zeestromingen. Grace heeft haar proefjaren er nu opzitten. Daarom geeft het Amerikaanse Center for Space Research per 1 april de Grace-data vrij voor algemeen wetenschappelijk gebruik. Deos kan dan met Grace tot op decimeters nauwkeurig de hoogte van de zeestromingen berekenen. Met de voorganger van Grace, de twee jaar eerder gelanceerde Champ, waren dit nog meters. “De nauwkeurigheid van Grace is ongelooflijk”, zegt dr.ir Pieter Visser van Deos, die al wat Grace-samples heeft ontvangen. “De meetapparatuur op de satellieten is zo gevoelig, dat ze elkaars onderlinge afstand tot op de miljoenste meter kunnen meten.”
De satellieten, die op ruim honderd kilometer van elkaar vliegen, schrijven als een printerkop over de aarde, loodrecht op de evenaar. De aarde draait steeds door, zoals een met inkt te beschrijven A4-tje in de printer. Na drie weken cirkelen heeft Grace ongeveer de hele aarde ‘beschreven’ in vakjes van honderd bij honderd kilometer.
Grace meet het zwaartekrachtveld door de afstand tussen de twee satellieten te meten. Als de aarde sterker trekt aan de eerste satelliet dan de tweede, bijvoorbeeld boven een bergketen, wordt die satelliet meer versneld en wordt de onderlinge afstand enkele microns groter.
Visser spreekt met verbazing over waartoe Grace in staat is. “De satellietcombinatie kan ook de remmende invloed meten van de ontzettend ijle atmosfeer op 485 kilometer hoogte. In de orde van een miljardste meter per secondekwadraat. De data die dat oplevert zijn daardoor een factor tien nauwkeuriger dan wat Deos met alle satellieten van de afgelopen dertig jaar had verzameld.”
Gepokte aardappel
Het zwaartekrachtveld van de aarde bevat indirect veel gegevens over de massaverdeling, zeestromingen, en aardlagen. Een plek met een grotere zwaartekracht deukt ook de bovengelegen oceaan in. Zwaartekrachtsvelden in combinatie met de kracht van zeestromingen en de draaiing van de aarde maken dat de zeespiegel bij Groenland bijna 180 meter hoger is dan in de Indische Oceaan.
“De aarde is niet die mooie homogene bol die hij op afstand lijkt”, zegt Visser. “De vorm lijkt op de plek van oceanen dankzij de zwaartekracht meer op een gepokte aardappel. Met Grace kun je nu de vorm meten van de geoïde. Dat is de vorm die de oceanen krijgen dankzij het zwaartekrachtveld zonder de invloed van factoren als zeestromingen.”
Wil je alleen weten wat de invloed is van zeestroming op de hoogte van de oceaanspiegel, dan moet je die zwaartekracht juist van je metingen afhalen. “De hoogte van de zeespiegel meet je met een andere satelliet, bijvoorbeeld de Europese Envisat”, zegt Visser. “Die meet de hoogte van de zeespiegel ten opzichte van het middelpunt van de aarde. Daar haal je de invloed af van de zwaartekracht die je met Grace meet. Zo houd je de hoogteverschillen over die bijvoorbeeld door een warme golfstroom worden veroorzaakt.”
De data die Visser wil gebruiken moeten een impuls geven aan klimaatonderzoek. Hierbij zijn zeestromingen van grote invloed. Een klimaatverschijnsel als El Nino, waarbij de temperatuur van het water sterk stijgt, is zo nauwkeurig te volgen. De hoogte van de zeespiegel verandert namelijk omdat het water uitzet.
Ook al is Grace nauwkeurig, het kan altijd nog beter. “Eigenlijk zijn Grace en Champ nog een vingeroefening”, zegt ir. Marc Naije, die namens Deos gespecialiseerd is in oceaanstromingen. “Het echte werk moet komen met Goce. Dat is de Europese verbetering van Grace die nu in Italië gebouwd wordt. Daarmee kunnen we over veel kleinere afstanden de verandering in zeestromingen in kaart brengen. Met Goce kan je de hoogte van de zeespiegel in centimeters bepalen.”
Omdat iedere zucht verandering op zee met Grace in combinatie met Envisat kan worden opgemerkt, hebben de data ook militaire toepassingen. Zo kan een onderzeeboot met een abonnement op Grace zich verschuilen in wervelingen, die in de zee ontstaan door botsende golfstromen. De plaats van die wervelingen kan Grace vinden. Ook kan zo een onderzeeër die in een warme wervel schuilt worden opgespoord. Normaal gesproken ketst sonar af op deze wervels, maar met Grace heb je hier geen last meer van.
Een andere, meer wetenschappelijke aanwinst is meer kennis over de atmosfeer. De satellieten vliegen dicht rond de aarde, 450 kilometer in plaats van het vroeger gangbare 10 duizend kilometer. Daardoor worden ze steeds, afhankelijk van de plaatselijke dichtheid, licht afgeremd. Onder het motto ‘de één zijn ruis, is de ander zijn data’ kunnen zo atmosfeergegevens worden verzameld die anders zouden worden weggegooid.
Tot 23 mei is in het Techniek Museum nog de tentoonstelling ‘Aarde in beeld’ te zien, met veel info over satellieten en aardobservatie.
Van Champ naar Grace en Goce
Het Goce-project is belangrijk voor de herboren geodesiegroep Deos. Goce is de eerste Europese satelliet die is ontworpen voor gravitatiemetingen en is een verdere verbetering van Grace. Goce meet deuken in de zeespiegel tot op centimeters nauwkeurig.
Deos heeft bij Goce een soort vip-abonnement op de meetgegevens. Zij mag hier meteen vanaf de lancering in 2007 gebruik van maken, anders dan bij Grace, waar de Amerikanen en Duitsers de baas over de data waren.
De in 2001 gelanceerde Amerikaans-Duitse Champ was een pilot-project voor Grace en moest vooral rond de aarde draaien om kinderziektes bij zijn opvolger uit te sluiten. Deze satelliet kon tot op de meter nauwkeurig de vorm van het zogeheten equipotentiaalvlak meten, het zwaartekrachtveld rondom de aarde.
Goce wordt een enkele satelliet en zal twintig maanden rond de aarde cirkelen op een hoogte van 250 kilometer. Naast een ultranauwkeurige versnellingsmeter bevat de satelliet een gps-ontvanger en een laserreflector, om de positie van de satelliet vanaf de aarde nauwkeurig te kunnen bepalen.
De satelliet wordt eveneens met een oorspronkelijk voor kernkoppen bedoelde Russische lange afstandsraket, de Rockot, gelanceerd vanaf een basis in Siberië. De noordelijke locatie is nodig om de satelliet in de juiste baan te krijgen. Net als Grace, moet Goce loodrecht op de draairichting van de aarde cirkelen. Deze hoek ten opzichte van de evenaar heet de inclinatiehoek en zal bij Goce 96 graden bedragen. De breedtegraad waarop de lanceerbasis ligt is hierbij bepalend. Zo draaien satellieten die gelanceerd zijn vanaf Cape Canavaral in Florida op een hoek van 22 graden.
De waterpas blijft onverslaanbaar
Hoewel hoogtemeting met gravitatiesatellieten steeds populairder wordt, werkt een groot deel van Deos nog met gegevens van een ander type satellieten. Zoals Envisat, die hoogtekaarten maakt met behulp van radaropnames. Een nadeel is dat Envisat er nogal eens een paar meter naast kan zitten.
Ramon Hanssen, werkzaam bij de sectie mathematische geodesie en puntsbepaling van Deos, bedacht een methode om met de Envisat en de oudere ERS-2-satelliet de afwijking te verkleinen. Met zijn vinding won hij vorig jaar de Bomford-prijs, een geldbedrag voor geodesieonderzoekers jonger dan veertig jaar.
“Ook als de satelliet steeds een afwijking heeft van enkele tientallen meters kun je nog heel precies verzakkingen meten”, zegt hij. “Als de afwijking van de satelliet iedere keer hetzelfde is, kun je iedere vijf weken een foto van een gebied maken. Als je die over elkaar heen legt kun je heel nauwkeurig een verschuiving waarnemen.”
In het weiland achter het Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniekgebouw staan vijf bakens waarop Hanssen de overvliegende satelliet ijkt. “We hebben in onze agenda de datum en de tijd staan waarop de satelliet over het gebouw vliegt. Voor die tijd lopen we het weiland in en nemen we exact de coördinaten op van die bakens met een waterpasbaak. De meetgegevens van de satelliet worden hierop geijkt.”
Zo is bijvoorbeeld de Grote Kerk van Delft een duidelijk zichtbaar punt op de satellietbeelden. De satelliet meet de positie van dergelijke punten ten opzichte van de bakens die Hanssen in het weiland heeft staan. Door de meetgegevens van meerdere jaren over elkaar heen te leggen, krijgt Hanssen een nauwkeurige ‘verzakkingskaart’. Van heel Delft en omgeving heeft hij nu een kaart waar op de millimeter nauwkeurig staat hoe diep de stad door zand en veenlagen zakt.
“De Oude Kerk in Delft staat niet voor niks scheef”, zegt hij. “De toren van de kerk zakt sneller doordat de ondergrond daar sneller zakt. Dat verschil in bodemdaling kun je door heel Delft zien. Dat komt doordat het oude Delft op een zandrug is gebouwd. Die zakt minder snel dan de directe omgeving. In de toekomst willen we van heel Nederland zo’n verzakkingskaart maken. Zo kun je zien wat de gevolgen zijn van gaswinning of grondwateronttrekking.”
Hanssen en zijn groep doen ook metingen aan de gevolgen van de aardbeving in het Iraanse Bam. “We werken samen met het Iraans Topografisch instituut. We vergelijken de foto’s die Envisat maakt met de oude topografische kaarten die dit instituut levert. Zo kunnen we de deformatie meten, de vervorming die de aardbeving aan de aardkorst heeft gegeven.”
Ondanks het meten met satellieten blijven metingen op de grond nodig. De waterpas, het ouderwetse gereedschap voor plaatsbepaling, wordt daarom nog steeds door alle geodeten gebruikt voor hoogtemetingen, volgens Hanssen.
“Oliemaatschappijen als de Nam zouden het liefst hoogtemetingen met de waterpas uitbannen”, zegt hij. “Ze zijn heel arbeidsintensief en kosten jaarlijks miljoenen, want je moet jaarlijks een team met mensen het veld insturen. Je kunt met hulp van satellieten wel het waterpassen minimaliseren maar niet uitbannen. Waterpassen is nog steeds de meest nauwkeurige methode om hoogte en plaats te bepalen. En je hebt alles zelf in de hand. Ook in de nabije toekomst is er nog geen satelliet die de waterpas daarin verslaat.”
De in 2001 gelanceerde Envisat meet de hoogte van landoppervlak en zee ten opzichte van het middelpunt van de aarde. De satellietmaakt hiervoor een driedimensionale hoogtekaart van oppervlakken met radargolven, en kan zo ook wolkenformaties omzeilen. De satelliet, die op achthonderd kilometer hoogte hangt, is zowel voor onderzoek naar zeestromingen belangrijk als voor hulp bij waterpassingen en onderzoek naar bodemdalingen en aardbevingen.
El Nino tot op de centimeter nauwkeurig volgen. Het kan dankzij satellietmissies als Grace en het nieuwe Goce. Van Grace komen deze maand de eerste data vrij, waarmee het Delftse Deos kaarten van zeestromingen maakt.
Ze kunnen niet zonder elkaar. En ze zijn in maart 2002 met een omgebouwde Russische kernraket in een baan om de aarde gebracht. Het gaat hier over Grace, de twee Amerikaans-Duitse satellieten die op een hoogte van 485 kilometer zestien keer per dag richting Noordpool cirkelen. Het duo brengt al vliegend het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart.
Het Delftse Deos (Department for Earth Observation and Space Research), de onder de vleugels van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek herboren geodesiegroep, wil Grace gebruiken om een kaart te maken van zeestromingen. Grace heeft haar proefjaren er nu opzitten. Daarom geeft het Amerikaanse Center for Space Research per 1 april de Grace-data vrij voor algemeen wetenschappelijk gebruik. Deos kan dan met Grace tot op decimeters nauwkeurig de hoogte van de zeestromingen berekenen. Met de voorganger van Grace, de twee jaar eerder gelanceerde Champ, waren dit nog meters. “De nauwkeurigheid van Grace is ongelooflijk”, zegt dr.ir Pieter Visser van Deos, die al wat Grace-samples heeft ontvangen. “De meetapparatuur op de satellieten is zo gevoelig, dat ze elkaars onderlinge afstand tot op de miljoenste meter kunnen meten.”
De satellieten, die op ruim honderd kilometer van elkaar vliegen, schrijven als een printerkop over de aarde, loodrecht op de evenaar. De aarde draait steeds door, zoals een met inkt te beschrijven A4-tje in de printer. Na drie weken cirkelen heeft Grace ongeveer de hele aarde ‘beschreven’ in vakjes van honderd bij honderd kilometer.
Grace meet het zwaartekrachtveld door de afstand tussen de twee satellieten te meten. Als de aarde sterker trekt aan de eerste satelliet dan de tweede, bijvoorbeeld boven een bergketen, wordt die satelliet meer versneld en wordt de onderlinge afstand enkele microns groter.
Visser spreekt met verbazing over waartoe Grace in staat is. “De satellietcombinatie kan ook de remmende invloed meten van de ontzettend ijle atmosfeer op 485 kilometer hoogte. In de orde van een miljardste meter per secondekwadraat. De data die dat oplevert zijn daardoor een factor tien nauwkeuriger dan wat Deos met alle satellieten van de afgelopen dertig jaar had verzameld.”
Gepokte aardappel
Het zwaartekrachtveld van de aarde bevat indirect veel gegevens over de massaverdeling, zeestromingen, en aardlagen. Een plek met een grotere zwaartekracht deukt ook de bovengelegen oceaan in. Zwaartekrachtsvelden in combinatie met de kracht van zeestromingen en de draaiing van de aarde maken dat de zeespiegel bij Groenland bijna 180 meter hoger is dan in de Indische Oceaan.
“De aarde is niet die mooie homogene bol die hij op afstand lijkt”, zegt Visser. “De vorm lijkt op de plek van oceanen dankzij de zwaartekracht meer op een gepokte aardappel. Met Grace kun je nu de vorm meten van de geoïde. Dat is de vorm die de oceanen krijgen dankzij het zwaartekrachtveld zonder de invloed van factoren als zeestromingen.”
Wil je alleen weten wat de invloed is van zeestroming op de hoogte van de oceaanspiegel, dan moet je die zwaartekracht juist van je metingen afhalen. “De hoogte van de zeespiegel meet je met een andere satelliet, bijvoorbeeld de Europese Envisat”, zegt Visser. “Die meet de hoogte van de zeespiegel ten opzichte van het middelpunt van de aarde. Daar haal je de invloed af van de zwaartekracht die je met Grace meet. Zo houd je de hoogteverschillen over die bijvoorbeeld door een warme golfstroom worden veroorzaakt.”
De data die Visser wil gebruiken moeten een impuls geven aan klimaatonderzoek. Hierbij zijn zeestromingen van grote invloed. Een klimaatverschijnsel als El Nino, waarbij de temperatuur van het water sterk stijgt, is zo nauwkeurig te volgen. De hoogte van de zeespiegel verandert namelijk omdat het water uitzet.
Ook al is Grace nauwkeurig, het kan altijd nog beter. “Eigenlijk zijn Grace en Champ nog een vingeroefening”, zegt ir. Marc Naije, die namens Deos gespecialiseerd is in oceaanstromingen. “Het echte werk moet komen met Goce. Dat is de Europese verbetering van Grace die nu in Italië gebouwd wordt. Daarmee kunnen we over veel kleinere afstanden de verandering in zeestromingen in kaart brengen. Met Goce kan je de hoogte van de zeespiegel in centimeters bepalen.”
Omdat iedere zucht verandering op zee met Grace in combinatie met Envisat kan worden opgemerkt, hebben de data ook militaire toepassingen. Zo kan een onderzeeboot met een abonnement op Grace zich verschuilen in wervelingen, die in de zee ontstaan door botsende golfstromen. De plaats van die wervelingen kan Grace vinden. Ook kan zo een onderzeeër die in een warme wervel schuilt worden opgespoord. Normaal gesproken ketst sonar af op deze wervels, maar met Grace heb je hier geen last meer van.
Een andere, meer wetenschappelijke aanwinst is meer kennis over de atmosfeer. De satellieten vliegen dicht rond de aarde, 450 kilometer in plaats van het vroeger gangbare 10 duizend kilometer. Daardoor worden ze steeds, afhankelijk van de plaatselijke dichtheid, licht afgeremd. Onder het motto ‘de één zijn ruis, is de ander zijn data’ kunnen zo atmosfeergegevens worden verzameld die anders zouden worden weggegooid.
Tot 23 mei is in het Techniek Museum nog de tentoonstelling ‘Aarde in beeld’ te zien, met veel info over satellieten en aardobservatie.
Van Champ naar Grace en Goce
Het Goce-project is belangrijk voor de herboren geodesiegroep Deos. Goce is de eerste Europese satelliet die is ontworpen voor gravitatiemetingen en is een verdere verbetering van Grace. Goce meet deuken in de zeespiegel tot op centimeters nauwkeurig.
Deos heeft bij Goce een soort vip-abonnement op de meetgegevens. Zij mag hier meteen vanaf de lancering in 2007 gebruik van maken, anders dan bij Grace, waar de Amerikanen en Duitsers de baas over de data waren.
De in 2001 gelanceerde Amerikaans-Duitse Champ was een pilot-project voor Grace en moest vooral rond de aarde draaien om kinderziektes bij zijn opvolger uit te sluiten. Deze satelliet kon tot op de meter nauwkeurig de vorm van het zogeheten equipotentiaalvlak meten, het zwaartekrachtveld rondom de aarde.
Goce wordt een enkele satelliet en zal twintig maanden rond de aarde cirkelen op een hoogte van 250 kilometer. Naast een ultranauwkeurige versnellingsmeter bevat de satelliet een gps-ontvanger en een laserreflector, om de positie van de satelliet vanaf de aarde nauwkeurig te kunnen bepalen.
De satelliet wordt eveneens met een oorspronkelijk voor kernkoppen bedoelde Russische lange afstandsraket, de Rockot, gelanceerd vanaf een basis in Siberië. De noordelijke locatie is nodig om de satelliet in de juiste baan te krijgen. Net als Grace, moet Goce loodrecht op de draairichting van de aarde cirkelen. Deze hoek ten opzichte van de evenaar heet de inclinatiehoek en zal bij Goce 96 graden bedragen. De breedtegraad waarop de lanceerbasis ligt is hierbij bepalend. Zo draaien satellieten die gelanceerd zijn vanaf Cape Canavaral in Florida op een hoek van 22 graden.
De waterpas blijft onverslaanbaar
Hoewel hoogtemeting met gravitatiesatellieten steeds populairder wordt, werkt een groot deel van Deos nog met gegevens van een ander type satellieten. Zoals Envisat, die hoogtekaarten maakt met behulp van radaropnames. Een nadeel is dat Envisat er nogal eens een paar meter naast kan zitten.
Ramon Hanssen, werkzaam bij de sectie mathematische geodesie en puntsbepaling van Deos, bedacht een methode om met de Envisat en de oudere ERS-2-satelliet de afwijking te verkleinen. Met zijn vinding won hij vorig jaar de Bomford-prijs, een geldbedrag voor geodesieonderzoekers jonger dan veertig jaar.
“Ook als de satelliet steeds een afwijking heeft van enkele tientallen meters kun je nog heel precies verzakkingen meten”, zegt hij. “Als de afwijking van de satelliet iedere keer hetzelfde is, kun je iedere vijf weken een foto van een gebied maken. Als je die over elkaar heen legt kun je heel nauwkeurig een verschuiving waarnemen.”
In het weiland achter het Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniekgebouw staan vijf bakens waarop Hanssen de overvliegende satelliet ijkt. “We hebben in onze agenda de datum en de tijd staan waarop de satelliet over het gebouw vliegt. Voor die tijd lopen we het weiland in en nemen we exact de coördinaten op van die bakens met een waterpasbaak. De meetgegevens van de satelliet worden hierop geijkt.”
Zo is bijvoorbeeld de Grote Kerk van Delft een duidelijk zichtbaar punt op de satellietbeelden. De satelliet meet de positie van dergelijke punten ten opzichte van de bakens die Hanssen in het weiland heeft staan. Door de meetgegevens van meerdere jaren over elkaar heen te leggen, krijgt Hanssen een nauwkeurige ‘verzakkingskaart’. Van heel Delft en omgeving heeft hij nu een kaart waar op de millimeter nauwkeurig staat hoe diep de stad door zand en veenlagen zakt.
“De Oude Kerk in Delft staat niet voor niks scheef”, zegt hij. “De toren van de kerk zakt sneller doordat de ondergrond daar sneller zakt. Dat verschil in bodemdaling kun je door heel Delft zien. Dat komt doordat het oude Delft op een zandrug is gebouwd. Die zakt minder snel dan de directe omgeving. In de toekomst willen we van heel Nederland zo’n verzakkingskaart maken. Zo kun je zien wat de gevolgen zijn van gaswinning of grondwateronttrekking.”
Hanssen en zijn groep doen ook metingen aan de gevolgen van de aardbeving in het Iraanse Bam. “We werken samen met het Iraans Topografisch instituut. We vergelijken de foto’s die Envisat maakt met de oude topografische kaarten die dit instituut levert. Zo kunnen we de deformatie meten, de vervorming die de aardbeving aan de aardkorst heeft gegeven.”
Ondanks het meten met satellieten blijven metingen op de grond nodig. De waterpas, het ouderwetse gereedschap voor plaatsbepaling, wordt daarom nog steeds door alle geodeten gebruikt voor hoogtemetingen, volgens Hanssen.
“Oliemaatschappijen als de Nam zouden het liefst hoogtemetingen met de waterpas uitbannen”, zegt hij. “Ze zijn heel arbeidsintensief en kosten jaarlijks miljoenen, want je moet jaarlijks een team met mensen het veld insturen. Je kunt met hulp van satellieten wel het waterpassen minimaliseren maar niet uitbannen. Waterpassen is nog steeds de meest nauwkeurige methode om hoogte en plaats te bepalen. En je hebt alles zelf in de hand. Ook in de nabije toekomst is er nog geen satelliet die de waterpas daarin verslaat.”
De in 2001 gelanceerde Envisat meet de hoogte van landoppervlak en zee ten opzichte van het middelpunt van de aarde. De satellietmaakt hiervoor een driedimensionale hoogtekaart van oppervlakken met radargolven, en kan zo ook wolkenformaties omzeilen. De satelliet, die op achthonderd kilometer hoogte hangt, is zowel voor onderzoek naar zeestromingen belangrijk als voor hulp bij waterpassingen en onderzoek naar bodemdalingen en aardbevingen.
Comments are closed.