Hier wel, daar geen bui

De Europese satellieten ers-1 en ers-2 meten het waterdampgehalte in de atmosfeer. Met die gegevens is het weer boven het vaste land beter te voorspellen.

HET waterdampgehalte van de atmosfeer is een belangrijk gegeven voor de modellen die gebruikt worden voor de numerieke weersverwachting. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben nu, in samenwerking met Amerikaanse collega's, aangetoond dat dit waterdampgehalte met behulp van de signalen van radarsatellieten in grote gebieden gedetailleerd in kaart kan worden gebracht. Zij maakten daarbij gebruik van metingen verricht door ERS-1 en ERS-2, twee Europese satellieten voor aardonderzoek die sinds 1991 en 1995 op een hoogte van 780 kilometer rond de aarde draaien.

Hoewel het waterdampgehalte van de atmosfeer al routinematig wordt gemeten met behulp van bijvoorbeeld weerradars op aarde en stralingsmeters in satellieten, kan langs deze wegen alleen de grofmazige verdeling van dit gas worden afgeleid. Deze grofmazigheid is de belangrijkste bron van onzekerheden in de verwachtingen voor de neerslag op de korte termijn: dat wil zeggen binnen de komende 24 uur. Zo blijkt het ontstaan en de intensiteit van onweersbuien af te hangen van variaties in het vochtgehalte in de orde van slechts één gram waterdamp per kilogram droge lucht, variaties die over afstanden van één kilometer veelvuldig in de atmosfeer voorkomen.

De Europese aardonderzoeksatellieten ERS-1 en ERS-2 hebben beide een geavanceerde synthese-radar aan boord, SAR (synthetic aperture radar) geheten. Dit is een instrument waarmee op een golflengte van 6 centimeter 100 kilometer brede stroken van het aardoppervlak worden afgetast. Uit de door de satelliet ontvangen reflecties kunnen beelden worden samengesteld die uiteenlopende informatie over dat oppervlak opleveren. Door het correleren van beelden die na elkaar van hetzelfde oppervlak zijn gemaakt, kan ook informatie over het reliëf worden verkregen. Zelfs kunnen veranderingen worden opgespoord die in die tussentijd aan het oppervlak hebben plaatsgevonden.

De ERS-satellieten zijn in de jaren negentig met succes gebruikt voor het bestuderen van veranderingen aan het aardoppervlak als gevolg van bijvoorbeeld aardbevingen en vulkanische activiteit. Tijdens deze toepassingen werden verstoringen in de beelden opgemerkt die het gevolg waren van variaties in de brekingsindex van de atmosfeer. Deze veroorzaken afbuigingen in de radargolven die zich manifesteren als minieme vertragingen in de aankomst bij de detectoren. Deze atmosferische verstoringen werden gewoonlijk beschouwd als ongewenste ruis en zo goed als mogelijk was uit de metingen verwijderd.

Maar men kan de zaak natuurlijk ook omdraaien en niet de ruis uit de meetresultaten verwijderen, maar juist de topografische informatie. Men creëert dan als het ware een schijnbaar vlak, `topografieloos' oppervlak, met details die uitsluitend samenhangen met wat er boven dat oppervlak, dus in de atmosfeer, gebeurt. Die techniek werkt echter alleen bij waarnemingen boven oppervlakken waarvan de topografie binnen korte tijdspannen – één dag of minder – niet verandert, dus boven het vasteland of vastliggende ijsvlakten. Boven water of zeeijs werkt ze niet.

TOPOGRAFIELOOS

De tijd- of fasevertraging in de gereflecteerde radarsignalen bestaat uit een ionosferische, een hydrostatische (druk en temperatuur) en een `natte' (vocht) component. Hoewel de invloed van deze laatste het kleinst is, is hij over dezelfde afstand gemeten veel veranderlijker dan de twee andere invloeden. In gebieden die kleiner zijn dan ongeveer 50 kilometer zullen de details in de `topografieloos' gemaakte beelden van het aardoppervlak daardoor vooral betrekking hebben op variaties in het vochtgehalte van de atmosfeer.

In Science van 26 februari presenteren onderzoekers van de TU Delft, van het National Center for Atmospheric Research (Boulder) en van de Stanford-universiteit enkele resultaten van deze techniek. Zo zijn op een interferogram van het noordelijk deel van Noord-Holland rondom een buiencomplex verschillen in waterdampgehalte in de atmosfeer te zien die niet konden worden waargenomen door de weerradar op aarde. Op een opname van een groter deel van Nederland is een koufront te zien dat langs zijn gehele voorste grens regen veroorzaakt, terwijl de data van de weerradar suggereren dat er alleen uit delen van die band regen valt. En op een derde interferogram zijn langgerekte `straten' van verhoogde waterdampconcentratie te zien boven delen van ons land die volgens waarnemingen vanaf de aarde geheel wolkenvrij waren.

De onderzoekers willen met deze voorbeelden aantonen dat de signalen van radarsatellieten kunnen worden gebruikt om boven grote gebieden het waterdampgehalte in de atmosfeer gedetailleerd in kaart brengen. Zo kan fijnmazige informatie worden verkregen die de conventionele meteorologische technieken niet kunnen leveren. De waterdampinformatie kan zowel worden gebruikt voor het verbeteren van de weersverwachting als voor het bestuderen van de dynamica van de atmosfeer. Het nadeel van de huidige radarsatellieten is de duur van hun omlooptijd: ongeveer anderhalf uur. In het meest ideale geval zouden radarmetingen met veel kortere tussenpozen moeten worden verricht.

    • George Beekman