Een veranderende aarde gezien vanuit de ruimte

Voor satellietmissies is het noodzakelijk dat de baanberekeningen zo exact mogelijk zijn. Daar zijn Dr. Ernst Schrama en zijn collega’s al tientallen jaren expert in. Ze gebruiken satellietdata ook voor het monitoren van veranderingen aan het aardoppervlak. En met nieuwe missies met andere meetapparatuur in het verschiet, blijven de uitdagingen komen. “Je zult niet snel stilzitten in dit vak”, aldus Schrama.

Dr. Ernst Schrama is al meer dan vijftien jaar verbonden aan de sectie Astrodynamics and Space Missions van de afdeling Space Engineering.  Het onderzoek begon destijds met het heel precies berekenen van satellietbanen. Schrama vertelt: “Traditioneel werkt onze groep aan satellietbaanmechanica. Aan de hand van laser-, radar- of radiofrequentiemetingen vanaf de grond weten we waar de satelliet precies is en kunnen we berekenen waar die naartoe gaat.” Vanwege hun grote expertise op dit gebied werkten Schrama en zijn collega’s onder meer mee aan ESA’s GOCE missie in 2009, aan de CryoSat-2 missie in 2010, en aan de SWARM-missie in 2013.

Daar blijft het niet bij: de sectie is tevens expert in het interpreteren en gedetailleerd modelleren van meetgegevens die de instrumenten aan boord van de satellieten doorgeven. Een belangrijk toepassing  daarvan is het monitoren van veranderingen van het aardoppervlak, zoals de ijskappen en het zeeniveau. Geofysisch onderzoek dus. “Geofysici kijken naar het systeem aarde en hoe dat verandert,” legt Schrama uit. “Het idee is dat we zonder het aardoppervlak aan te raken, toch weten wat voor volume en vorm het heeft en hoe het verandert.  Dat kan rechtsreeks met hoogtemetingen, maar ook indirect via metingen van het zwaartekrachtveld.” 

Radarhoogtemetingen

Zo hebben satelliethoogtemeters ons nieuwe inzichten verschaft in hoe de oceanen er precies uitzien onder het wateroppervlak en hoe de oceaanbodem zich in de loop van miljoenen jaren heeft ontwikkeld. Schrama toont een kaart volledig opgebouwd uit radarhoogtemetingen en wijst naar wat een onderzeese vulkaanketen blijkt te zijn, de Hawaii-Emperorketen: “Dat vulkaansysteem is ontstaan boven een warm punt diep in de aarde, een soort kachelpijp. Daar liggen nu vulkanische eilanden en er komen er steeds meer bij. Maar de aardkorst, de Pacifische Plaat om precies te zijn, beweegt heel langzaam een paar centimeter per jaar naar het Noordwesten toe. Dus waar nu Hawaii ligt, beweegt de oceaanbodem langzaam naar het Noordwesten, terwijl er in het Zuid-Oosten nieuwe eilanden gevormd worden. Dit proces is al 300 miljoen jaar gaande, en we herkennen het duidelijk in de zwaartekrachtskaart.”

IJsmassa’s en oceanen, bergen en continenten maken het aardoppervlak onregelmatig en ze zijn ook nog eens in beweging. Dat zorgt voor verschillen in massa en dus ook in zwaartekracht, afhankelijk van waar en wanneer je die meet. Mensen voelen die zwaartekrachtverschillen niet, maar satellieten kunnen ze wel waarnemen. Met behulp van zwaartekrachtmetingen kun je dan ook iets zeggen over bijvoorbeeld zeestromingen of gletsjersbewegingen.  En twee satellieten weten in zo’n geval meer dan één. “We hebben meegewerkt aan de ontwikkeling van experimenten waarbij je meerdere satellieten in de ruimte brengt,” vertelt Schrama. “Dan kun je hun onderlinge afstand meten en hoe die verandert onder invloed van het krachtenveld dat op die satellieten werkt. Zo kunnen we dat nog beter onderzoeken.”  NASA’s GRACE-missie die in 2002 gelanceerd werd is een goed voorbeeld: de tweelingsatelliet heeft de afgelopen vijftien jaar nieuwe inzichten gegeven in de verdeling van land en water over de aardbol.

Zeespiegelstijging

Vooral die veranderingen in ijsmassa’s en zeeniveau staan volop in de belangstelling, vanwege hun link met klimaatverandering. De huidige zeespiegelstijging is aantoonbaar groter dan zij de afgelopen tweeduizend jaar geweest is, zo weten we uit historische bron. “De Romeinen hadden tanks om vis te vangen. Die hadden een opening ter hoogte van de vloedlijn. Je weet dus waar die tweeduizend jaar geleden gelegen moet hebben, zo’n zestig centimeter onder het huidige zeeniveau”, vertelt Schrama. “Dat is een indicatie dat het zeeniveau de afgelopen tweeduizend jaar circa zestig centimeter gestegen is. We meten nu al dertig centimeter per eeuw, dat is zestig centimeter in twee eeuwen, in plaats van twee millennia. We weten ook dat ijssystemen in omvang afnemen”, gaat hij verder. “Maar wordt die stijging van de zeespiegel nu alleen veroorzaakt door het smelten van ijs of zijn er andere factoren van invloed, bijvoorbeeld het opwarmen en daarmee uitzetten van de oceanen?”

Uit Schrama’s onderzoek blijkt dat de helft van die stijging veroorzaakt wordt door het opwarmen en uitzetten van de oceanen en de andere helft afkomstig is van smeltwater van gletsjers op Groenland, Antarctica en kleinere ijssystemen zoals Alaska of de Alpen. Daarvoor combineerde hij verschillende soorten metingen. “Met hoogtemeting boven het ijs en zwaartekrachtmetingen kun je zien wat er met het ijs aan de hand is, maar we doen ook volumeveranderingsmetingen aan de oceanen. Door beide van elkaar af te trekken, weet je welke gedeelte van de zeespiegelstijging je kunt toeschrijven aan welk fenomeen.” Ook combineert hij satellietmetingen met andere technieken. “Er is een heel netwerk van automatische boeien die bijvoorbeeld temperatuur en zoutgehalte van de oceanen meten. Die gegevens gebruiken we dan weer om te kijken of dat in overeenstemming is met wat wij meten en berekenen via de radar- en lasermetingen.”

Postglaciale opheffing

Om nu veranderingen in de ijskap en de zeespiegel goed te modelleren moet je bovendien rekening houden met postglaciale opheffing. De aardkorst veert immers nog steeds op als gevolg van het smelten van de ijskappen aan het einde van de laatste grote IJstijd die 20.000 jaar geleden eindigde. “De Scandinavische en Noord-Amerikaanse ijssystemen zijn verdwenen, maar dat proces van terugveren is nog niet afgelopen en dat kunnen we goed meten,” aldus Schrama. “Voor Antarctica is dat al veel moeilijker, omdat het systeem veel groter is. Het modelleren van dat proces is ook iets dat we hier doen. Daarvoor combineren we dan meetgegevens van de GRACE-satellieten met bijvoorbeeld GPS-metingen van ontvangers op het land en gegevens over de bodemdruk van de oceaan.”

Een onderwerp als klimaatverandering roept ook steeds nieuwe vragen op. “Over de afgelopen vijftien jaar hebben we veranderingsprocessen geconstateerd. Zit daar een versnelling in en zo ja hoe komt dat, of verandert dat over tien jaar weer? Dat willen we kunnen meten en begrijpen. Daar hebben we nieuwe satellietmissies en metingen met nieuwe instrumenten voor nodig.” Die komen er ook aan. “Er wordt aan een GRACE follow-on missie gewerkt, die binnenkort wordt gelanceerd. De huidige missie werkt met microgolven om de onderlinge afstand van de satellieten te meten. Dat wordt straks een microgolven en een laserinterferometer, die naar verwachting 20 keer zo accuraat is. “ Betere instrumenten en hoger datasnelheden brengen ook nieuwe uitdagingen met zich mee. “Hoe gaan we met die kennis om? Sluiten de nieuwe metingen aan op de oude of moeten we correcties doorvoeren? Krijgen we er betere informatie mee?”

Nieuwe missies en uitdagingen

Een andere missies die in de pijplijn zit, is NASA’s ICESat-2 (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite 2). “ICESat-1 heeft niet zo lang geleefd, van 2003 tot 2009. Er was een probleem met de lasers, waardoor er niet continu gemeten kon worden. De nieuwe missie belooft het beter te doen,” zegt Schrama. “Dat is allemaal wel in aanvulling op lopende missies. Dat is een hoop meetinstrumenten om gegevens van te verwerken. Je zult niet snel stilzitten in dit vak.” Inmiddels hebben al die missies en instrumenten ook een hoop data opgeleverd. Om daarin overzicht te behouden, beheert de sectie ook RADS, een Radar Altimeter Data System. “We krijgen steeds meer gebruikers voor RADS en we doen ons best het systeem zo goed mogelijk toegankelijk te maken.”

Onderwijs

Stilzitten in het onderwijs is er al evenmin bij. “Er komen inmiddels meer dan honderd masterstudenten per jaar binnen; tien jaar geleden waren dat er een stuk of veertig. Het traditionele beeld van vooral studenten uit Nederland en België klopt allang niet meer. We zien bijvoorbeeld veel studenten uit Zuid-Europa en ook veel uitwisselingsstudenten via het Erasmusprogramma.” Studenten stellen ook andere eisen tegenwoordig. “ Het online aanbieden van onderwijs is een veranderslag waar we echt mee verder moeten,” vindt Schrama, die inmiddels een online versie van het vak Satellite Orbit Determination gemaakt heeft.

Het bouwen en lanceren van (kleine) satellieten, de CubeSats, is ook al traditie bij de afdeling Space Engineering. Daar maakt Schrama gebruik van voor zijn practicumonderwijs. “We laten studenten zelf bij EWI de metingen doen, zodat ze kunnen zien hoe het signaal op een grondstation eruit ziet, en er vervolgens mee kunnen rekenen.” Inmiddels is de afdeling bezig met de ontwikkeling van de nog kleinere PocketQubes. Ook hier denkt graag Schrama graag mee over experimenten. “Daar kan voor ons zinnige informatie uitkomen, bijvoorbeeld over het ruimteweer.” Zo is het destijds ook begonnen met het onderzoek. “Een van mijn vroegere hoogleraren heeft destijds flink gelobbyd bij ESA om een ‘gradiometer’ in de GOCE-satelliet te krijgen. Dit is een instrument om de kromming van het aardse zwaartekrachtsveld te meten. In de jaren tachtig hebben daarvoor hier in Delft de ontwerpstudies gedaan. Wat moet er gemeten worden en wat voor resultaten verwacht je?”, vertelt hij. “Hoe je zo’n instrument vervolgens bouwt, moet je dan aan de industrie overlaten.” Of in dit geval: aan de collega’s.

Photo: Greenland icebergs Disko Bay, Ian Joughin, Polar Science Centre, University of Washington.