Loepzuivere blik

De gisteren gelanceerde Europese satelliet Envisat meet zo'n beetje alles wat er op aarde te meten valt.

-

In het Europese ruimtevaartcentrum ESRIN in Frascati, iets ten oosten van Rome, liggen in een luchtgekoelde ruimte vele pizza's klaar. Maar ze zijn niet om op te eten. `Pizza' is de bijnaam van de grote cassettes, elk met 1,7 kilometer tape, waarop straks de informatie wordt opgeslagen die de Europese aardonderzoeksatelliet Envisat naar de aarde gaat zenden. Envisat (Earth Observation Environmental Satellite) is gisteren uit Kourou in Frans-Guyana met een Ariane-5-raket gelanceerd en moet inmiddels in een baan op 800 kilometer hoogte om de aarde draaien.

Envisat is de grootste en duurste satelliet die de Europese ruimtevaartorganisatie ESA ooit heeft gebouwd. Aan de tien meter lange en 8,2 ton zware satelliet hangt een prijskaartje van 2,3 miljard euro, maar daarvoor heeft Europa dan wel de meest geavanceerde aardonderzoeksatelliet ter wereld. Met zijn tien instrumenten waarvan vele elkaar aanvullen kunnen de meest uiteenlopende processen in de atmosfeer, in de oceanen en op het vasteland worden waargenomen. Deze waarnemingen zijn vooral van belang voor het bestuderen van milieuvraagstukken, de atmosfeer en het klimaat.

Envisat is in feite een veelzijdiger opvolger van de ERS-1 en 2 die in de jaren negentig werden gelanceerd. Net als deze succesvolle Earth Resources Satellites wordt ook Envisat gedomineerd door een radar, de Advanced Synthetic Aperture Radar, waarmee dag en nacht en door wolken heen, twee- en zelfs driedimensionale beelden van het aardoppervlak worden gemaakt. Landgebruik, ontbossing, watervervuiling, zee- en poolijs, tektonische beweging en bodemdaling zijn enkele van de vele zaken die via de tien meter lange radarantenne worden bestudeerd.

Een andere radar, Radar Altimeter-2, meet de hoogte van het aardoppervlak. ERS-1 en ERS-2 hadden ook zo'n hoogtemeter, maar die van Envisat is nauwkeuriger doordat hij wordt gecorrigeerd door een stralingsmeter die de invloed van de atmosferische waterdamp op de voortplanting van radiosignalen bepaalt. Beide radarinstrumenten leveren gegevens over golfhoogten (tot op centimeters nauwkeurig) op zee, windvelden en stromingen data die van belang zijn voor meteorologen en klimatologen.

doris

De twee radarinstrumenten kunnen alleen hun grote nauwkeurigheid handhaven als de baan van Envisat van moment tot moment nauwkeurig bekend is. Daarin wordt onder andere voorzien door DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite), een radio-ontvanger die het dopplereffect in de signalen van 54 radiobakens op aarde meet: een omgekeerd GPS-systeem. Deze grote positie-nauwkeurigheid maakt het tevens mogelijk om lokale afwijkingen in het gravitatieveld te bepalen die samenhangen met variaties in de dichtheid van gesteenten onder oceaanbodems.

Naast deze `actieve' instrumenten beschikt Envisat over twee passieve stralingsmeters: MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) en AATSR (Advanced Along Track Scanning Radiometer). De eerste meet de verdeling van wolken en waterdamp in de atmosfeer, de eigenschappen van vegetatie op het vasteland en de concentraties plantaardig plankton, chlorofyl en sedimenten in de oceanen. Met AATSR kan de gemiddelde temperatuur van oceanen tot op 0,3° nauwkeurig worden bepaald. Deze temperatuur is kenmerkend voor de toestand van het klimaat en het El Niño-verschijnsel.

Drie elkaar aanvullende instrumenten worden gebruikt voor gedetailleerde metingen aan de verschillende lagen van de atmosfeer en de sporengassen die zich daarin bevinden. Dit zijn taken die niet door de bestaande ERS-satellieten werden verricht en hiervan hebben atmosfeeronderzoekers dan ook hoge verwachtingen. De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat de chemische samenstelling van de atmosfeer door menselijke activiteiten wordt beïnvloed, maar over de mate waarin lopen de meningen uiteen omdat de verantwoordelijke processen complex zijn en op vaak onbekende schalen plaatsvinden.

Het paradepaardje van het drietal atmosfeerbewakers is Sciamachy (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography), een product van België, Duitsland en Nederland (Fokker Space in Leiden, TNO/TPD in Delft en de Stichting Ruimte Onderzoek Nederland in Utrecht). Hiermee worden aan de hand van absorptielijnen in het spectrum van door de aarde weerkaatst zonlicht de concentraties sporengassen en aërosolen tot op 100 kilometer hoogte in de atmosfeer gemeten. Door afwisselend loodrecht naar beneden en vooruit naar de rand van de aarde te kijken, kan zowel de totale hoeveelheid gas op één plaats als de variatie in de hoogte worden afgeleid.

Een van de geestelijke vaders van Sciamachy was de Nederlandse atmosfeeronderzoeker en Nobelprijswinnaar Paul Crutzen, tot voor kort werkzaam op het Max-Planck-Instituut voor Chemie in Mainz. In de jaren tachtig beseften hij en andere wetenschappers dat er te weinig grondstations waren om op wereldwijde schaal metingen te kunnen verrichten aan ozon en broeikasgassen in de atmosfeer: informatie die hard nodig was voor het onderzoek naar de invloed van de mens op het klimaat.

Een uitbreiding van het aantal meetstations op aarde bleek niet haalbaar en daarom stelde Crutzen in 1988 voor een spectrometer te ontwikkelen die deze metingen uit een satelliet kon verrichten. Tevens suggereerde hij om zo'n instrument te testen met een eenvoudiger uitvoering: dat werd GOME (Global Ozone Monitoring Experiment), die sinds april 1995 in ERS-2 meet. Onlangs mislukte de lancering van een Amerikaanse satelliet voor ozonmetingen, QUIKTOMS, waardoor Sciamachy nu de mondiale ozonmetingen uitvoert.

methaan

Met Sciamachy zullen voor het eerst ook spectrale metingen in het infrarood worden verricht, waardoor veel meer sporengassen in de atmosfeer kunnen worden gemeten dan voorheen. Sciamachy zal daardoor een veel uitgebreider en nauwkeuriger beeld van de vervuiling van de onderste lagen van de atmosfeer geven dan tot nu toe mogelijk was. Zo zullen ook koolmonoxyde en methaan kunnen worden gedetecteerd, gassen die mede van belang zijn voor het controleren van klimaat en milieuverdragen. In Nederland hebben het KNMI en het SRON een speciaal datacentrum opgericht voor de verifiëring en verspreiding van de Sciamachy-data.

Sciamachy werkt min of meer samen met GOMOS (Global Ozon Monitoring by Occultation of Stars) en MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding). De eerste leidt ozonconcentraties tussen 20 en 100 kilometer hoogte af, terwijl de tweede de concentraties van meer dan twintig antropogene sporengassen tussen 50 en 80 kilometer hoogte meet. Onderzoekers hopen dat al deze data tezamen het inzicht in de chemische samenstelling, stralingsbalans en dynamica van de atmosfeer in belangrijke mate zullen vergroten.

Doordat de baan van Envisat vrijwel over de polen loopt en de aarde onder de satellietbaan doordraait, wordt de gehele planeet iedere 2,5 dag in kaart gebracht. Envisat zendt zijn metingen naar het grondstation Kiruna in Zweden of Fucino in Italië (en vanaf de zomer naar Artemis, die dan in een baan op 36.000 kilometer hoogte moet zijn gekomen). Van daaruit gaan de data linea recta naar het dataverwerkingscentrum ESRIN, om op de `pizza's' te worden opgeslagen en naar de verwerkingscentra in Europa te worden gezonden. Daar staan duizenden wetenschappers klaar om met de data aan de slag te gaan.

http://envisat.esa.int/