Op de millimeter; Synthetische apertuur radar ziet aarde bewegen

EEN AANTAL MAANDEN geleden deed zich een uitbarsting voor van de vulkaan onder de Vatnajökull-gletsjer op IJsland. De ijskap begon van onderen te smelten en via allerlei openingen overtollig water te lozen.

Deskundigen hadden de grootste moeite te voorspellen wanneer deze situatie gevaarlijk begon te worden. Achteraf werd vastgesteld dat de uitbarsting met behulp van de Europese ERS-1 satelliet al veel eerder voorspeld had kunnen worden. Deze satelliet is uitgerust met een synthetische apertuur radar (SAR). Hiermee kunnen zeer gedetailleerde beelden worden gemaakt van iedere verandering van het aardoppervlak, ook van lava die in een krater millimeter voor millimeter omhoog kruipt. Uit oudere beelden viel af te leiden dat een jaar voor de uitbarsting, precies op de plaats van de vulkaan, zich allerlei verschuivingen hadden voorgedaan. Die waren aan de grond totaal onopgemerkt gebleven.

De laatste jaren wordt steeds vaker een beroep gedaan op satellieten om veranderingen aan het aardoppervlak te meten. Zo maakt een groep onder leiding van Paul Segall van de Universiteit van Stanford in Californië gebruik van navigatiesatellieten om metingen te verrichten aan de zuidflank van de schildvulkaan Kilauea op Hawaï. Op die flank staan ontvangers voor het Global Positioning System (GPS). GPS-satellieten zijn uitgerust met zeer nauwkeurige klokken die op identieke tijdstippen een code uitzenden. Ontvangers aan de grond genereren een identieke code en meten hoeveel later de code van de satelliet aankomt. Des te groter de afstand tot de ontvanger, des te later het signaal arriveert. Door de signalen van vier of meer satellieten tegelijk op te vangen kan de ontvanger de exacte positie berekenen, in drie dimensies.

Maar GPS-metingen hebben beperkingen. Zo meten de ontvangers alleen lokale verschuivingen en die kunnen onderling sterk verschillen. Een dicht netwerk van ontvangers is echter duur. Wetenschappers maken daarom steeds vaker gebruik van satellieten die zijn uitgerust met synthetische apertuur radar. Met SAR-interferometrie (INSAR) kunnen verschuivingen aan de grond tot op millimeters nauwkeurig gemeten worden. SAR werkt als een flitscamera. De uitgezonden golven reflecteren naar de antenne van de radar en uit de tijd die de signalen nodig hebben kan de afstand berekend worden.

Helaas zijn radarpulsen geen rapierscherpe laserstralen die objecten op de grond zeer precies aftasten, maar een soort lichtkegels die een gebied van enkele honderden vierkante kilometers beschijnen. De ruwheid van het oppervlak, de bodemgesteldheid en de aanwezigheid van water hebben allemaal invloed op de nauwkeurigheid van de metingen. Het echosignaal dat wordt opgevangen is een optelsom van alle reflecties bij elkaar. Eén enkele SAR-meting is volstrekt onbruikbaar, maar wordt hetzelfde gebied twee keer achter elkaar gemeten dan kunnen de metingen voor 'grondeffecten' worden gecorrigeerd, domweg door de plaatjes van elkaar af te trekken. In zo'n samengesteld beeld of interferogram vertegenwoordigt iedere pixel (beeldpunt) een gebied van enkele vierkante meters. Hoogteveranderingen op de grond kunnen zo tot in millimeters nauwkeurig worden gemeten. Een nadeel is dat de satelliet een complete omwenteling moet maken eer hij van het desbetreffende gebied opnieuw opnamen kan maken en in de tussentijd mag de bodem bijvoorbeeld niet omgeploegd worden, want dergelijke veranderingen verstoren de metingen.

Inmiddels zijn wetenschappers erin geslaagd gedetailleerde metingen aan gletsjers en vulkanen te doen. Bij opnamen van de San Andreas-breuk in Californië - een van de weinige die aan het oppervlak goed zichtbaar zijn - kwam een gecompliceerd netwerk van breuken aan het licht. De faculteit der Geodesie van de TU Delft gebruikt SAR om bodemdalingen in Groningen te meten die zijn ontstaan als gevolg van aardgasboringen. Volgens Paul Segall zou met meerdere SAR-satellieten de activiteit van alle vulkanen op aarde van minuut tot minuut gevolgd kunnen worden. “Je zou de stijging van de zeespiegel kunnen bestuderen of de biomassa van tropische regenwouden kunnen berekenen.”

Dat is nu nog niet mogelijk. De huidige SAR-satellieten (de Canadese Radarsat, de Europese ERS-1 en ERS-2 en de Japanese JERS 1) onttrekken zoveel energie aan de zonnepanelen dat ze niet ononderbroken kunnen worden gebruikt. Organisaties als NASA overwegen dan ook de bouw van satellieten die speciaal voor dit doel zullen worden ingezet.