Zowel vanuit een satelliet als vanaf de grond kan met radiometrie en radar de luchtvervuiling boven ons land gemeten worden. Herman Russchenberg van het Delftse radarinstituut Irctr probeert vanuit het Knmi-station Cabauw te achterhalen of stof in de lucht ook meer bewolking veroorzaakt.
Het midden van nergens is in Nederland nooit ver van de bewoonde wereld. Ook het Knmi-meetstation Cabauw, vlakbij Lopik, is met een halfuurtje kachelen door het Groene Hart vanuit Delft te bereiken. Middenin die weilanden bij de Lek staat een tweehonderd meter hoge mast, omringd door maanlandervormige meetinstrumenten. Hier worden iedere twaalf seconden metingen gedaan aan zonnestraling, windsnelheid, luchtvochtigheid en de luchtdruk op verschillende hoogtes. De gegevens moeten de klimaatmodellen van het Knmi aanscherpen. Ook Schiphol profiteert van de nauwkeurige weermetingen bij het waarschuwen van vliegverkeer.
Naast de Knmi-meetmast tussen de schapen staat sinds 2001 ook Tara, het mobiele radarstation van de TU Delft. Hier stuurt het team van Herman Russchenberg van Irctr continue radargolven van drie gigahertz het wolkendek in. Met de radar kan hij de vorming van wolken en regendruppels meten.
Al sinds halverwege de jaren negentig probeert hij zo samen met het Knmi en andere Nederlandse onderzoeksinstellingen een vinger te leggen op het verband tussen klimaatverandering en wolkenvorming. Binnenkort wil Russchenberg ook de invloed van luchtvervuiling op het ontstaan van wolken meten.
“Met een lidar, een radar die met lichtgolven werkt, kunnen we de aanwezigheid van zogeheten aerosolen in de atmosfeer meten”, zegt Russchenberg. “Dit zijn kleine stofdeeltjes die bijvoorbeeld door verkeer en industrie ontstaan. Die deeltjes in de lucht vormen condensatiekernen, waar druppels rondom ontstaan uit waterdamp: wolken. Door het ontstaan van die druppels met een radar te registreren, kun je indirect het verband leggen tussen de hoeveelheid aerosolen in de lucht en de luchtvervuiling die zich boven je meetplek vormt.”
Afdankertjes
Met nieuwe apparatuur kan dit nieuwe onderzoeksdoel samen met Tara bereikt worden. “Boven op de mast, op tweehonderd meter hoogte, willen we een regenradar opstellen”, zegt Russchenberg. “Hiermee gaan we op tien gigahertz constant golven richting wolkendek uitzenden”, zegt hij. “Dat doen we met een gepolariseerde bundel, dus zowel met horizontale als verticale oscillerende golven. Met meer verschillende golfsoorten kun je zo makkelijker registreren hoe druppeltjes en ijskristallen zich vormen. En je kunt ook zien hoe snel deze zich verplaatsen.”
De radars in Cabauw krijgen volgend jaar gezelschap van een Raman-Lidar, die met een golflengte van 532 nanometer het wolkendek zal aftasten. Met dit systeem gaat het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (Rivm) de verdeling van waterdamp en aerosolen in de atmosfeer meten.
“De Raman-lidar is ook ‘s nachts zichtbaar, als een groene lichtbundel”, vertelt Russchenberg. “We moeten bij plaatsing wel afspraken maken met het luchtvaartverkeer, want de bundel is zo sterk dat je er vanaf boven niet in mag kijken. Er komt dan ook een detectiesysteem aan vast, dat de bundel stopzet op het moment dat er een vliegtuig overkomt.”
Naast nieuw spul helpen ook afdankertjes van andere universiteiten. “We hebben net een oude satellietschotel van de TU Eindhoven gekregen die we bij Tara hebben geplaatst”, wijst Russchenberg naar de acht meter brede braadpan in het weiland, die radarstraling moet opvangen.
“De TU Eindhoven wilde de schotel bij wijze van spreken bij het grofvuil zetten, maar ik kan hem wel gebruiken”, zegt Russchenberg. “Ik kan ermee van een kleiner gebied signalen opvangen en daardoor op tien kilometer hoogte nauwkeuriger in de wolken kijken. Samen met de schotels die nu al bij Cabauw staan krijgen we dan een veel beter beeld van hoe op verschillende hoogtes druppels en daarmee wolken worden gevormd.”
Met behulp van de metingen met de nieuwe snufjes moeten harde uitspraken gedaan kunnen worden over de relatie tussen wolkenvorming, luchtvervuiling en klimaatverandering. “Er bestond dankzij satellietbeelden van industriegebieden wel een vermoeden dat daar meer bewolking hangt, maar de apparatuur ontbrak nog om er harde gegevens over te verzamelen”, zegt Russchenberg. “Daarom hebben we samen met het Cesar-consortium (TU Delft, Knmi, Rivm, ECN, ESA, Wageningen Universiteit en TNO) besloten om al onze verschillende meetapparatuur te combineren. Door radiometrie met radar en lidar te koppelen en gebruik te maken van de andere gegevens die door de Cesar-partners in Cabauw worden verzameld, willen we de komende vier jaar de benodigde precisie halen.”
Een officiële handtekening hadden alle betrokken partijen al in 2002 gezet onder de samenwerkingsplannen, maar zolang het aardgasgeld van Bsik niet binnen was konden de onderzoekers nog niet los. Nu de subsidiekraan openstaat kan in januari echt gestart worden.
Beltoontjes
Cabauw is inmiddels een verzamelpunt voor verschillende instituten. Ook de Vrije Universiteit tast bij Cabauw de atmosfeer af met ‘Rass’, drie kolossen die naast het Delftse Tara staan opgesteld. Bij een bezoekje aan het Delftse radarsysteem is het apparaat constant hoorbaar door de beltoontjes die het produceert. Rass zendt iedere vijf seconden akoestische signalen richting wolkendek, op verschillende toonhoogtes. Hiermee meten VU-wetenschappers de temperatuur en de windsnelheid.
De VU testte een voorganger van Rass in Cabauw op bruikbaarheid voor onderzoek op de Zuidpool. ‘s Werelds koudste plek wordt steeds minder fris en wolkenvorming zou hier een grote rol bij kunnen spelen. Wolken houden namelijk warmtestraling vanaf de aarde tegen.
Meer wolken zorgen dus voor meer broeikaseffect, niet alleen op de Zuidpool maar in de hele atmosfeer. Om deze reden is het radaronderzoek van Russchenberg aan wolken ook steeds meer in de belangstelling komen staan.
Het Knmi en de TU krijgen bij hun klimaatonderzoek ook hulp uit de ruimte. Satellieten als Envisat registreren van vierhonderd kilometer hoogte klimaatgegevens met Sciamachy. Dit radiometrische instrument is verantwoordelijk voor de schokkende plaatjes die onlangs de voorpagina’s van enkele kranten openden. In een verder blauwgekleurd Europa sprongen op de foto’s van Envisat de Randstad en de Po-vlakte bij Milaan er knalrood uit. Boven ons nationaal industriegebied blijkt de meest vervuilde lucht ter wereld te hangen, gemeten aan het stikstofoxidegehalte.
Meer ondersteuning door satellieten komt uit de hoek van de plaatsbepaling en gps. Steeds vaker blijkt hoe bruikbaar ruis in data van gps-satellieten kan zijn. Een nieuwe promovendus bij de Delftse sectie aardobservatie kan uit dit ‘meetafval’ van gps-satellieten de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer afleiden. Het signaal dat de satelliet naar een aardstation stuurt wordt namelijk verstoord door het water in de atmosfeer en het signaalverlies is daardoor een maat voor de hoeveelheid waterdamp.
Voor het hele onderzoeksproject in zijn volle omvang kan starten, heeft Russchenberg nog een paar problemen op te lossen. Deze worden zichtbaar na een reis in de nauwe lift naar de top van de Knmi-mast. Over de Lek, die traag door eindeloos laagland stroomt, varen binnenschepen die de radardeskundige lelijk in de weg zitten.
“Op het moment dat we de regenradar op de mast gaan gebruiken, moeten we voorkomen dat we op de bandbreedte van scheepsradars komen”, zegt Russchenberg. “En we kunnen hun signalen op onze detectieapparatuur krijgen. We zullen nog even moeten uitdenken hoe we dat gaan oplossen, want anders zouden zij door onze radar plotseling ufo-achtige objecten op hun scherm krijgen en wij atmosferische objecten die er niet zijn.”
www.knmi.nl/voorl/nader/knmimeetmastcabauw.htm
Tara, het mobiele radarstation van de TU Delft in Cabauw.
Met Tara stuurt het team van Herman Russchenberg van Irctr radargolven het wolkendek in. Daarmee kan hij de vorming van wolken en regendruppels meten.
Boven de Randstad hangt de meest vervuilde lucht ter wereld. (Foto’s: Sam Rentmeester/FMAX)
De Duitse uitvinder Christian Hulsmeyer had honderd jaar geleden nooit kunnen vermoeden dat luchtvervuiling ooit met zijn vinding gemeten zou kunnen worden. Hij vroeg in 1904 patent aan op een apparaat dat radiogolven kon uitzenden en door schepen teruggekaatste signalen kon opvangen. Hiermee dacht hij in de toekomst bij mistig weer scheepsbotsingen te voorkomen.
Het duurde tot de jaren dertig van de vorige eeuw tot de Britten een goedwerkende radar (radio detecting and ranging) ontwikkelden. Zij smokkelden het idee van de Duitse wetenschapper overzee en gaven het de huidige naam.
De Britten ontwikkelden de eerste militaire radarsystemen en plaatsten dit langs de oostkust. Een goede zet, want het leverde winst op in de Battle of Britain. Dankzij radar zagen zij de Duitse vliegtuigeskaders op tijd naderen en konden de Spitfires het Engelse luchtruim schoonvegen.
Radar is nog steeds het meest bekend als militaire toepassing. Maar de afgelopen twintig jaar kunnen dankzij betere computerondersteuning en gevoeligere ontvangstapparatuur veel kleinere objecten worden gemeten dan schepen en vliegtuigen, zoals bijvoorbeeld vogels bij een luchthaven.
Toepassing van de laatste tien jaar is de detectie van kleine deeltjes als ijskristallen en regendruppels, waar de Delftse radaronderzoeksgroep zich in specialiseert. Ook in opmars is het onderzoek naar ground penetrating radar, waarmee objecten in de bovenste aardlagen kunnen worden gedetecteerd. Bij technische aardwetenschappen en Irctr wordt deze methode verfijnd.
Het principe is bij alle toepassingen gelijk. Je zendt met een antenne elektromagnetische radiogolven uit. Deze weerkaatsen tegen een object en uit de vervorming van het teruggekaatste signaal kun je de plaats van het doel en grootte afleiden. De snelheid bepaal je door de dopplerverschuiving van het opgevangen signaal te meten.
De eerste radarsystemen zonden lange golven met hoge energie uit om een grote afstand te overbruggen. Moderne radarsystemen als Tara zenden juist korte golven uit op een hogere bandbreedte, van drie tot dertig gigahertz. Met een kleinere golflengte kunnen kleinere objecten gedetecteerd worden, zonder radiozenders in de weg te zitten. Ook de hoeveelheid benodigde energie is door de efficiëntie van radarsystemen afgenomen. Het Delftse Tara zendt golven uit met een vermogen van honderd watt, gelijk aan een flinke gloeilamp.
Het midden van nergens is in Nederland nooit ver van de bewoonde wereld. Ook het Knmi-meetstation Cabauw, vlakbij Lopik, is met een halfuurtje kachelen door het Groene Hart vanuit Delft te bereiken. Middenin die weilanden bij de Lek staat een tweehonderd meter hoge mast, omringd door maanlandervormige meetinstrumenten. Hier worden iedere twaalf seconden metingen gedaan aan zonnestraling, windsnelheid, luchtvochtigheid en de luchtdruk op verschillende hoogtes. De gegevens moeten de klimaatmodellen van het Knmi aanscherpen. Ook Schiphol profiteert van de nauwkeurige weermetingen bij het waarschuwen van vliegverkeer.
Naast de Knmi-meetmast tussen de schapen staat sinds 2001 ook Tara, het mobiele radarstation van de TU Delft. Hier stuurt het team van Herman Russchenberg van Irctr continue radargolven van drie gigahertz het wolkendek in. Met de radar kan hij de vorming van wolken en regendruppels meten.
Al sinds halverwege de jaren negentig probeert hij zo samen met het Knmi en andere Nederlandse onderzoeksinstellingen een vinger te leggen op het verband tussen klimaatverandering en wolkenvorming. Binnenkort wil Russchenberg ook de invloed van luchtvervuiling op het ontstaan van wolken meten.
“Met een lidar, een radar die met lichtgolven werkt, kunnen we de aanwezigheid van zogeheten aerosolen in de atmosfeer meten”, zegt Russchenberg. “Dit zijn kleine stofdeeltjes die bijvoorbeeld door verkeer en industrie ontstaan. Die deeltjes in de lucht vormen condensatiekernen, waar druppels rondom ontstaan uit waterdamp: wolken. Door het ontstaan van die druppels met een radar te registreren, kun je indirect het verband leggen tussen de hoeveelheid aerosolen in de lucht en de luchtvervuiling die zich boven je meetplek vormt.”
Afdankertjes
Met nieuwe apparatuur kan dit nieuwe onderzoeksdoel samen met Tara bereikt worden. “Boven op de mast, op tweehonderd meter hoogte, willen we een regenradar opstellen”, zegt Russchenberg. “Hiermee gaan we op tien gigahertz constant golven richting wolkendek uitzenden”, zegt hij. “Dat doen we met een gepolariseerde bundel, dus zowel met horizontale als verticale oscillerende golven. Met meer verschillende golfsoorten kun je zo makkelijker registreren hoe druppeltjes en ijskristallen zich vormen. En je kunt ook zien hoe snel deze zich verplaatsen.”
De radars in Cabauw krijgen volgend jaar gezelschap van een Raman-Lidar, die met een golflengte van 532 nanometer het wolkendek zal aftasten. Met dit systeem gaat het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (Rivm) de verdeling van waterdamp en aerosolen in de atmosfeer meten.
“De Raman-lidar is ook ‘s nachts zichtbaar, als een groene lichtbundel”, vertelt Russchenberg. “We moeten bij plaatsing wel afspraken maken met het luchtvaartverkeer, want de bundel is zo sterk dat je er vanaf boven niet in mag kijken. Er komt dan ook een detectiesysteem aan vast, dat de bundel stopzet op het moment dat er een vliegtuig overkomt.”
Naast nieuw spul helpen ook afdankertjes van andere universiteiten. “We hebben net een oude satellietschotel van de TU Eindhoven gekregen die we bij Tara hebben geplaatst”, wijst Russchenberg naar de acht meter brede braadpan in het weiland, die radarstraling moet opvangen.
“De TU Eindhoven wilde de schotel bij wijze van spreken bij het grofvuil zetten, maar ik kan hem wel gebruiken”, zegt Russchenberg. “Ik kan ermee van een kleiner gebied signalen opvangen en daardoor op tien kilometer hoogte nauwkeuriger in de wolken kijken. Samen met de schotels die nu al bij Cabauw staan krijgen we dan een veel beter beeld van hoe op verschillende hoogtes druppels en daarmee wolken worden gevormd.”
Met behulp van de metingen met de nieuwe snufjes moeten harde uitspraken gedaan kunnen worden over de relatie tussen wolkenvorming, luchtvervuiling en klimaatverandering. “Er bestond dankzij satellietbeelden van industriegebieden wel een vermoeden dat daar meer bewolking hangt, maar de apparatuur ontbrak nog om er harde gegevens over te verzamelen”, zegt Russchenberg. “Daarom hebben we samen met het Cesar-consortium (TU Delft, Knmi, Rivm, ECN, ESA, Wageningen Universiteit en TNO) besloten om al onze verschillende meetapparatuur te combineren. Door radiometrie met radar en lidar te koppelen en gebruik te maken van de andere gegevens die door de Cesar-partners in Cabauw worden verzameld, willen we de komende vier jaar de benodigde precisie halen.”
Een officiële handtekening hadden alle betrokken partijen al in 2002 gezet onder de samenwerkingsplannen, maar zolang het aardgasgeld van Bsik niet binnen was konden de onderzoekers nog niet los. Nu de subsidiekraan openstaat kan in januari echt gestart worden.
Beltoontjes
Cabauw is inmiddels een verzamelpunt voor verschillende instituten. Ook de Vrije Universiteit tast bij Cabauw de atmosfeer af met ‘Rass’, drie kolossen die naast het Delftse Tara staan opgesteld. Bij een bezoekje aan het Delftse radarsysteem is het apparaat constant hoorbaar door de beltoontjes die het produceert. Rass zendt iedere vijf seconden akoestische signalen richting wolkendek, op verschillende toonhoogtes. Hiermee meten VU-wetenschappers de temperatuur en de windsnelheid.
De VU testte een voorganger van Rass in Cabauw op bruikbaarheid voor onderzoek op de Zuidpool. ‘s Werelds koudste plek wordt steeds minder fris en wolkenvorming zou hier een grote rol bij kunnen spelen. Wolken houden namelijk warmtestraling vanaf de aarde tegen.
Meer wolken zorgen dus voor meer broeikaseffect, niet alleen op de Zuidpool maar in de hele atmosfeer. Om deze reden is het radaronderzoek van Russchenberg aan wolken ook steeds meer in de belangstelling komen staan.
Het Knmi en de TU krijgen bij hun klimaatonderzoek ook hulp uit de ruimte. Satellieten als Envisat registreren van vierhonderd kilometer hoogte klimaatgegevens met Sciamachy. Dit radiometrische instrument is verantwoordelijk voor de schokkende plaatjes die onlangs de voorpagina’s van enkele kranten openden. In een verder blauwgekleurd Europa sprongen op de foto’s van Envisat de Randstad en de Po-vlakte bij Milaan er knalrood uit. Boven ons nationaal industriegebied blijkt de meest vervuilde lucht ter wereld te hangen, gemeten aan het stikstofoxidegehalte.
Meer ondersteuning door satellieten komt uit de hoek van de plaatsbepaling en gps. Steeds vaker blijkt hoe bruikbaar ruis in data van gps-satellieten kan zijn. Een nieuwe promovendus bij de Delftse sectie aardobservatie kan uit dit ‘meetafval’ van gps-satellieten de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer afleiden. Het signaal dat de satelliet naar een aardstation stuurt wordt namelijk verstoord door het water in de atmosfeer en het signaalverlies is daardoor een maat voor de hoeveelheid waterdamp.
Voor het hele onderzoeksproject in zijn volle omvang kan starten, heeft Russchenberg nog een paar problemen op te lossen. Deze worden zichtbaar na een reis in de nauwe lift naar de top van de Knmi-mast. Over de Lek, die traag door eindeloos laagland stroomt, varen binnenschepen die de radardeskundige lelijk in de weg zitten.
“Op het moment dat we de regenradar op de mast gaan gebruiken, moeten we voorkomen dat we op de bandbreedte van scheepsradars komen”, zegt Russchenberg. “En we kunnen hun signalen op onze detectieapparatuur krijgen. We zullen nog even moeten uitdenken hoe we dat gaan oplossen, want anders zouden zij door onze radar plotseling ufo-achtige objecten op hun scherm krijgen en wij atmosferische objecten die er niet zijn.”
www.knmi.nl/voorl/nader/knmimeetmastcabauw.htm
Tara, het mobiele radarstation van de TU Delft in Cabauw.
Met Tara stuurt het team van Herman Russchenberg van Irctr radargolven het wolkendek in. Daarmee kan hij de vorming van wolken en regendruppels meten.
Boven de Randstad hangt de meest vervuilde lucht ter wereld. (Foto’s: Sam Rentmeester/FMAX)
De Duitse uitvinder Christian Hulsmeyer had honderd jaar geleden nooit kunnen vermoeden dat luchtvervuiling ooit met zijn vinding gemeten zou kunnen worden. Hij vroeg in 1904 patent aan op een apparaat dat radiogolven kon uitzenden en door schepen teruggekaatste signalen kon opvangen. Hiermee dacht hij in de toekomst bij mistig weer scheepsbotsingen te voorkomen.
Het duurde tot de jaren dertig van de vorige eeuw tot de Britten een goedwerkende radar (radio detecting and ranging) ontwikkelden. Zij smokkelden het idee van de Duitse wetenschapper overzee en gaven het de huidige naam.
De Britten ontwikkelden de eerste militaire radarsystemen en plaatsten dit langs de oostkust. Een goede zet, want het leverde winst op in de Battle of Britain. Dankzij radar zagen zij de Duitse vliegtuigeskaders op tijd naderen en konden de Spitfires het Engelse luchtruim schoonvegen.
Radar is nog steeds het meest bekend als militaire toepassing. Maar de afgelopen twintig jaar kunnen dankzij betere computerondersteuning en gevoeligere ontvangstapparatuur veel kleinere objecten worden gemeten dan schepen en vliegtuigen, zoals bijvoorbeeld vogels bij een luchthaven.
Toepassing van de laatste tien jaar is de detectie van kleine deeltjes als ijskristallen en regendruppels, waar de Delftse radaronderzoeksgroep zich in specialiseert. Ook in opmars is het onderzoek naar ground penetrating radar, waarmee objecten in de bovenste aardlagen kunnen worden gedetecteerd. Bij technische aardwetenschappen en Irctr wordt deze methode verfijnd.
Het principe is bij alle toepassingen gelijk. Je zendt met een antenne elektromagnetische radiogolven uit. Deze weerkaatsen tegen een object en uit de vervorming van het teruggekaatste signaal kun je de plaats van het doel en grootte afleiden. De snelheid bepaal je door de dopplerverschuiving van het opgevangen signaal te meten.
De eerste radarsystemen zonden lange golven met hoge energie uit om een grote afstand te overbruggen. Moderne radarsystemen als Tara zenden juist korte golven uit op een hogere bandbreedte, van drie tot dertig gigahertz. Met een kleinere golflengte kunnen kleinere objecten gedetecteerd worden, zonder radiozenders in de weg te zitten. Ook de hoeveelheid benodigde energie is door de efficiëntie van radarsystemen afgenomen. Het Delftse Tara zendt golven uit met een vermogen van honderd watt, gelijk aan een flinke gloeilamp.
Comments are closed.