In 2015 vroeg het KNAW om ideeën voor grootschalige onderzoeksfaciliteiten waarmee Nederland wetenschappelijke grenzen kan blijven verleggen. Professor Herman Russchenberg en zijn collega’s hoefden er niet lang over na te denken: een landelijk dekkend observatorium voor metingen van de atmosfeer. Dit voorgestelde Ruisdael Observatorium – naar de 17e-eeuwse schilder Jacob Ruisdael, beroemd om zijn wolkenluchten – moet Nederland aan de frontlijn van de atmosferische wetenschap houden.
Over wat er precies in de atmosfeer gebeurt – en hoe die verandert – weten we nog (te) weinig. “De grote uitdaging voor de atmosferische wetenschappen is om voorspellingen te kunnen doen op korte termijn, lokaal en heel gedetailleerd”, aldus professor Herman Russchenberg, hoogleraar atmospheric remote sensing en directeur van het TU Delft Climate Institute. “Maar onze huidige modellen werken met blokken van een kilometer groot, terwijl de meeste atmosferische verschijnselen zich op veel kleinere schaal afspelen.” Dus worden er aannames gedaan over de toestand van de atmosfeer. Om daar vanaf te komen, zullen die kleinschalige fenomenen gemeten en gemodelleerd moeten worden, iets wat nu alleen voor sommige deelprocessen gebeurt.
Professor Herman Russchenberg
Dat meten moet dan in de bodem beginnen met onder meer bodemvocht- en temperatuurmetingen. Ook de ondergrond zelf is heel belangrijk. “Rij maar eens van Maastricht naar Groningen, dan kom je wegen en bebouwing tegen en allerlei verschillende soorten vegetatie, dat heeft allemaal invloed”, vertelt Russchenberg. “Je kunt dan denken aan processen als de weerkaatsing van zonnestralen of verdamping van regen. Of gras bijvoorbeeld op klei of veen groeit, maakt dan ook nog eens uit. Dat soort zaken hebben we nu nog geen landelijke informatie over.”
Troposfeer
“Voor de atmosfeer zelf willen we de thermodynamische grootheden meten als temperatuur, wind en vocht, maar ook de chemische samenstelling. Dan heb je het over broeikasgassen als CO2 en over uitlaatgassen en emissiegassen als stikstofdioxide, ammoniak en zwaveldioxide”, zegt Russchenberg. Daaruit ontstaan namelijk weer aerosolen – stofdeeltjes – waaromheen zich wolkendruppels kunnen vormen. “Die wolkendruppels moeten we meten, net als de regen die uit de wolken ontstaat. En dan nog straling, want wolken en straling beïnvloeden elkaar ook.” De metingen zouden dus een meter onder de grond moeten beginnen en zo’n twaalf kilometer hoogte moeten bestrijken – de hele troposfeer dus, want dat is de laag van de atmosfeer die ons weer bepaalt.
Russchenberg en zijn collega’s willen toe naar een zeer fijnmazig meetnetwerk: “een landelijk dekkend netwerk met sensoren in of op de grond in combinatie met allerlei scannende apparatuur die fenomenen als wolken, straling en stofverdeling meten”, licht Russchenberg toe. Dat laatste gebeurt met remote sensing-systemen als radar en LIDAR (met laser); de buienradar is een goed voorbeeld. Sommige van die technieken zijn er dus al, maar om de hele keten van processen te kunnen meten op een schaal van 100 meter tot aan twaalf kilometer hoog, wordt nog een hele klus. “We gaan de komende jaren beginnen door bestaande meetnetwerken van organisatie als het KNMI en RIVM met elkaar te verbinden. Dat willen we dan steeds verder uitbreiden met additionele metingen en nieuwe meetposten.”
Crowdsourcing
Dat kan bijvoorbeeld door scannende apparatuur in steden op hoge gebouwen te plaatsen, zoals de Rotterdamse regenradar die lokale neerslag in het Rijnmondgebied registreert. Ook kun je gebruik maken van bestaande sensoren. Zo kun je met behulp van gsm-antennes regen meten. “Als het regent tussen antennes zwakt het signaal af. Aan die verzwakking kun je dus afmeten hoe hard het regent”, aldus Russchenberg. Een andere mogelijkheid is crowdsourcing van gegevens. Een netwerk van weerstations van wetenschappelijke kwaliteit wordt beheerd door het KNMI, maar verspreid over het land zijn er ook veel particulieren die een weerstation in de tuin hebben staan. “Dan heb je straks een wetenschappelijke ruggengraat met goed gevalideerde en gecontroleerde instrumenten en die crowdsourcedata gebruik je dan voor het invullen van details of het opvullen van gaten.” Daarvoor moeten dan wel alle databronnen op een slimme manier bij elkaar worden gebracht en aangevuld met nieuwe apparatuur voor nog ontbrekende metingen.
CESAR - Cabauw Experimental Site for Atmospheric Research
Proeftuin
Het KNMI-observatorium in Cabauw biedt hier een mooie proeftuin voor. “Daar staan heel veel instrumenten op één plek en kun je goed allerlei technieken uittesten en kijken hoe je ze met elkaar in samenhang kunt brengen”, aldus Russchenberg. Aan de modellenkant speelt hetzelfde probleem als aan de meetkant. “De modellen zijn ook nog niet fijnmazig genoeg, al krijgen ze wel een steeds hogere resolutie.” De bottleneck zit hier echter vooral aan de kant van de rekenkracht. “We hebben laten zien dat het kan: het simuleren van de atmosfeer met een resolutie van pakweg 100 meter. Daarmee kun je bijvoorbeeld de hele kaart van Nederland met alle wolken simuleren. De komende jaren moet er aan gewerkt worden dat die technieken sneller worden, maar in principe werkt het.”
De koppeling van alle meetgegevens in zulke hogeresolutiemodellen moet uiteindelijk leiden tot beter inzicht in wat er in de atmosfeer gebeurt. “We begrijpen de overgangen van het kleine naar het grote nog niet goed. Die keten van een sporegas in de atmosfeer waaruit een stofdeeltje ontstaat dat leidt tot een wolkendruppel en uiteindelijk tot regen”, stelt Russchenberg. “Er wordt wel naar de deelprocessen gekeken, maar om vanuit al die kennis het totale plaatje te begrijpen is nog een uitdaging. We begrijpen bijvoorbeeld nog weinig van de interactie tussen atmosfeer en biosfeer.” Het nieuwe Ruisdael Observatorium moet daar verandering in brengen. De combinatie van een landelijk dekkend meetnetwerk met de benodigde rekenkracht en fijnmazige modellen maakt het mogelijk om kleinschalige fenomenen te onderzoeken in de context van de grootschalige atmosferische systemen. Dat kan nog nergens ter wereld.
Toekomst van de atmosfeer
Nederlandse atmosfeerwetenschappers hebben zich dan ook massaal achter het plan geschaard. “Het is wel een Delfts initiatief, maar het wordt door de hele wetenschappelijke gemeenschap gedragen.” Dat is niet zo verwonderlijk, want een gemeenschappelijk thema verbindt de atmosferische wetenschappen. “Door de toevoeging van gassen verandert onze atmosfeer. Dat zet allerlei processen in werking, die we gewoon nog niet begrijpen. We weten dus ook niet hoe die atmosfeer er in de toekomst uitziet, maar dat heeft wel allemaal consequenties voor het klimaat, het weer en de luchtkwaliteit van de toekomst. We proberen dus allemaal de toekomst van de atmosfeer te begrijpen.”
Dat wetenschappelijk inzicht moet ook zorgen voor veel nauwkeurigere weersinformatie. Dat hebben we volgens Russchenberg om een heleboel redenen nodig. Om te beginnen voor de standaardweersverwachtingen. Want we noemen het nu nog extreem weer, de hoosbuien met megahagelstenen, hevig onweer en windstoten die ons land recent teisterden. Volgens meteorologen zullen we hier echter aan moeten wennen. “We roepen al jaren dat het eraan zit te komen; nu is het er. Je ziet nu alleen dat de komst van die buien wel voorspeld kunnen worden, maar nooit precies waar. De voorspellingen bij extreem weer moeten accurater, ook voor de gewone gebruiker.”
Jacob van Ruisdael, Gezicht op Haarlem met bleekvelden (1665)
Energiemarkt
Professionele gebruikers zullen daar ook veel profijt van hebben. “Neem windenergiebedrijven. Die moeten nu een dag van tevoren opgeven hoeveel elektriciteit ze zullen leveren. Als ze meer leveren dan ze beloofd hebben, gaat het voor niets de markt op. Leveren ze te weinig, dan krijgen ze een boete”, vertelt Russchenberg. “Daarvoor moet je dus heel nauwkeurige voorspellingen hebben van de wind op een bepaalde hoogte. Dat betaalt zich dan gelijk terug in een veel preciezere en dus hogere opbrengst voor de energiebedrijven. Het zelfde geldt trouwens voor zonnestraling en zonne-energiebedrijven.” Ook steden zullen baat hebben bij beter weersinformatie, niet alleen voor de veiligheid maar ook voor het lokale watermanagement. “Als je stortbuien die straten blank zetten kunt voorspellen, dan kun je maatregelen nemen.” Datzelfde geldt voor de luchtkwaliteit. Naarmate het warmer wordt, worden steden gevoeliger voor smogvorming. Betere voorspellingen kunnen dan voorkomen dat steden opeens voor autoverkeer gesloten moeten worden. “Dat noem je allemaal weersverschijnselen, maar eigenlijk gaat het om de atmosfeer. Er komt steeds meer behoefte aan voorspellingen van het gedrag van die atmosfeer.”
Wat geldt voor Nederland, is ook van belang voor de rest van de wereld. “Hier zoomen we in op die kleinste schalen, zodat we die interactie begrijpen vanaf de kleinste schaal van moleculen en stofdeeltjes, tot aan een schaal van de honderd of tweehonderd kilometer van Nederland”, zegt Russchenberg. “Als je dat goed begrijpt, kun je die kennis ook toepassen in modellen op wereldschaal. En wat voor ons geldt, geldt ook in andere landen. Als wij die ‘first principles’ ontwikkelen, kunnen anderen die gebruiken in hun eigen modellen van elke plek ter wereld.” Want ook nu loopt Nederland voorop op het gebied van atmosferische kennis; het Ruisdael Observatorium kan zorgen dat dat zo blijft.