Op de millimeter

      NRC Handelsblad 28 juni 1997
      Jan Libbenga


Een aantal maanden geleden deed zich een uitbarsting voor van de vulkaan onder de Vatnaj#okull-gletsjer op Ijsland. De ijskap begon van onderen te smelten en via allerlei openingen overtollig water uit te stoten. Deskundigen hadden moeite om te voorspellen wanneer het wassende water een gevaar begon te worden. Onderzoekers van de Stanford Universiteit in Californi#e hadden de autoriteiten wellicht kunnen helpen als zij tijdig gebruik hadden kunnen maken van de Europese ERS-1 satelliet, die is uitgerust met een zogenoemde synthetische apertuur radar (SAR). Met die radar kunnen zeer gedetailleerde beelden (interferogrammen) worden gemaakt van iedere verandering van het aardoppervlak, zelfs van lava die millimeter voor milliter in een krater omhoog kruipt.
Aardbevingen en vulkaanuitbarstingen vergen in de hele wereld nog altijd vele menselijke slachtoffers. De materi#ele schade is vaak aanzienlijk. Het voorspellen van deze natuurrampen is lastig. Geologen zijn veelal aangewezen op metingen aan de grond.
De laatste jaren wordt steeds vaker gebruik gemaakt van satellieten om veranderingen aan het aardoppervlak in kaart te kunnen brengen. Zo maakt een groep onder leiding van Paul Segall van de Universiteit van Stanford in Californi#e gebruik van navigatiesatellieten om metingen te verrichten aan de zuidflank van de schildvulkaan Kilauea op Hawaii. In 1983 richtte een uitbarsting daar grote schade aan en nu begint de krater langzaam in twee#en te breken. Segall heeft ontvangers voor het Global Positioning System (GPS) op de vulkaan geplaatst, waarbij iedere ontvanger correspondeert met een van de 24 satellieten van het navigatiesysteem.
De GPS-satellieten zijn uitgerust met zeer nauwkeurige klokken die op identieke tijdstippen radiopulsen uitzenden. Ontvangers aan de grond vangen die pulsen op en vergelijken ze met hun eigen interne klok. Des te groter de afstand tot de ontvanger op de grond, des te later het signaal aankomt en des te groter het verschil met de eigen tijdmeting. Omdat radiosignalen een vaste voortplantingssnelheid hebben kan uit het tijdsverschil de afstand tot de ontvanger worden berekend. Door de signalen van drie of vier satellieten tegelijk op te vangen kan de ontvanger zijn exacte positie berekenen, zelfs in drie dimensies, met behulp van een simpele ruimtelijke driehoeksmeting.
Zonder atmosferische storingen is de plaatsbepaling zeer nauwkeurig, zo'n 19 tot 24 centimeter, maar omdat de ionosfeer en de atmosfeer de geluidsgolven afremmen, wordt die nauwkeurigheid niet gehaald, en kan de positie maar tot op enkele meters nauwkeurig bepaald worden. Daar komt nog eens bij dat de gecodeerde signalen van het GPS-systeem alleen door militairen nauwkeurig kunnen worden afgelezen. Om een toch een hoge nauwkeurigheid te bereiken, wordt gebruik gemaakt van differentieel GPS. Daarbij wordt op de grond een extra ontvanger geplaatst waarvan de positie bekend is. Omdat de overige ontvangers dezelfde onnauwkeurigheid aangeven kan met behulp van het extra baken en de computer een correctie worden toegepast. Door te meten aan de draaggolf van de satelliet, het signaal waarop de radiopulsen gemoduleerd zijn, kan een nauwkeurigheid van enkele millimeters worden bereikt. Differentieel GPS kent dan ook vele nuttige toepassingen. In Nederland werkt de Technische Universiteit Delft aan een netwerk van Differentieel GPS-ontvangers zodat in de toekomst met een GPS-ontvanger en een mobiele telefoonverbinding snel en effici#ent landmetingen kunnen worden verricht.
Niet alleen kan met GPS de exacte positie worden bepaald, ook kan iedere minieme verschuiving van de aardkorst tot in detail geregistreerd worden. Schuiven de ontvangers met de aardkorst mee dan zullen ze een andere positie aangeven. Op Hawaii kon zo worden vastgesteld dat de zuidflank van de krater elk jaar tien centimeter opschuift, terwijl de noordflank op zijn positie blijft. Ook werden enkele uren voor een eruptie reeds significante veranderingen in de direct omgeving geregistreerd. De situatie op Hawaii is kritisch omdat landverschuivingen tsoenami's kunnen veroorzaken: enorme vloedgolven die erg schade kunnen aanrichten en zelfs mensenlevens kunnen eisen.
GPS-metingen zijn niet in elk opzicht ideaal. De ontvangers moeten vrij zicht hebben op de satellieten. In bosrijke omgevingen kunnen ze niet geplaatst worden. Verder meten de ontvangers alleen lokale verschuivingen en die kunnen onderling sterk verschillen. Voor nauwkeurige metingen is men bovendien aangewezen op een dicht netwerk van ontvangers. Daar is veel geld mee gemoeid.
Alle hoop is nu gericht op de synthetische apertuur radar (SAR). Die kan de positie van objecten ook bepalen, niet alleen in drie dimensies, maar ook nog eens zonder ontvangers op de grond. SAR werkt ongeveer als een flitscamera die zijn eigen licht gebruikt om een voorwerp op gevoelige plaat vast te leggen, alleen worden in dit geval elektromagnetische golven gebruikt. Die reflecteren deels terug naar de antenne van de radar. Uit de tijd die de signalen nodig hebben om de antenne te bereiken de afstand tot ieder object in millimeters nauwkeurig berekend worden. Meten optische sensoren alleen de sterkte van het gereflecteerde licht, een radar zendt sinusvormige golven uit waarvan de fase en amplitude zeer nauwkeurig vastgesteld kunnen worden. Het is alsof men een kilometerslang meetlint uitrolt, waarbij de golflengte de schaalverdeling aangeeft. De radar zendt namelijk 1500 krachtige pulsen per seconde uit met een golflengte vari#erend van 1 centimeter tot 1 meter. Bedraagt de afstand tot het object exact 800 kilometer, dan leggen de golven ook exact 1600 kilometer af om bij de satelliet terug te keren, waarbij de fase van de vertrekkende en ontvangende golven - iedere golfbeweging kent een maximum- en minimummuitwijking van de ruststand, golfbergen - en dalen genaamd - precies aan elkaar gelijk moeten zijn. Is de afstand tot het object een millimeter korter, dan worden de oscillaties niet helemaal voltooid. Juist daaruit kan haarfijn de exacte afstand worden afgeleid. SAR's doen meer dan alleen meten, met behulp van computers kunnen de echo's in beelden (interferogrammen) worden omgezet, waarbij ieder beeldpunt een gebied op aarde vertegenwoordigt van enkele vierkante meters. Uit de reflecties kan de aanwezigheid van water, bossen, gebouwen en hellingen worden afgeleid. Omdat de radar voor zijn eigen 'verlichting' zorgt, kunnen zelfs 's nachts opnamen worden gemaakt. En omdat de golflengten langer zijn dan die van zichtbaar of infrarood licht, kunnen de satellieten ook door stof en wolken heen kijken.
In 1985 onderzocht Didier Massonnet van het Franse Ruimte Agentschap al eens de mogelijkheid om radar voor het meten van aardverschuivingen te gebruiken, maar geologen waren skeptisch. Ten eerste kunnen kleine objecten op de grond, van kiezelstenen tot takken, reflecties versterken of verzwakken. Deze afwijkingen kunnen wel worden gecorrigeerd, men kan de amplitude van de reflecties van alle beeldpunten 'middelen', maar daardoor gaat wel weer andere relevante informatie verloren. Tegenwoordig worden vanuit een en dezelfde positie twee opnamen gemaakt, of tegelijkertijd of met tussenpozen. Satellieten kunnen alleen het laatste. Doen zich veranderingen aan het aardoppervlak voor dan kunnen faseverschillen c.q. interferentiepatronen worden waargenomen.
Overigens kent deze technologie wel beperkingen: er mag niet teveel tijd tussen de twee opeenvolgende opnamen zitten, omdat regen de grond tussentijds kan wegspoelen en zelfs vallende bladeren het resultaat kunnen be#invloeden. Maakt men gelijktijdig beelden vanuit twee verschillende radarsatellieten, dan mag de afstand tussen die satellieten niet groter zijn dan een kilometer. Het verschil in perspectief zal bovendien ook nog eens gecorrigeerd moeten worden. Tenslotte kunnen veranderingen in de atmosfeer en de ionosfeer het resultaat echter ook be#invloeden. Daar is eigenlijk nog geen goede oplossing voor gevonden.
Ondanks al deze beperkingen zijn wetenschappers erin geslaagd om met behulp van samengestelde satellietbeelden gedetailleerde metingen aan gletsjers en vulkanen te verrichten. Howard Zebker van de Stanford Universiteit observeerde enkele jaren terug de minieme veranderingen van een akker ergens in Californi#e. De radar registreerde feilloos hoe de grond uitzette toen het bouwland met water werd besproeid. Bij metingen langs de beroemde San Andreas breuk in Californi#e - een van de weinige breuken die aan het oppervlak goed zichtbaar zijn - kwam zelfs een heel netwerk van spanningen in de aardkorst aan het licht. De TU Delft gebruikt SAR om aardverschuivingen in Groningen te kunnen meten die ontstaan als gevolg van aardgasboringen van de NAM. Die metingen zijn echter nog niet betrouwbaar genoeg omdat ze moeilijk gecorrigeerd kunnen worden voor atmosferische en ionosferische be#invloeding. 'Radarmetingen zullen ondergrondse metingen niet kunnen vervangen,' zegt Howard Kebner van Stanford Universiteit. 'De meeste geologische processen voltrekken zich immers diep in de aardkorst.' Toch biedt SAR volgens zijn collega Paul Segall grote voordelen boven huidige methoden: 'Met meerdere SAR-satellieten zou je alle vulkanen op aarde van minuut tot minuut kunnen volgen.' Men zou de stijging van de zeerspiegel kunnen bestuderen of de biomassa van tropische regenwouden kunnen uitrekenen. Op dit moment is dat nog niet mogelijk. De huidige SAR-satellieten - de Canadese Radarsat, de Europese ERS-1 en ERS-2 en de Japanese JERS 1 - zijn niet specifiek ingericht voor het maken van interferogrammen. Bovendien consumeren ze zoveel energie dat ze niet permanent gebruikt kunnen worden. Verschillende landen en de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA overwegen de bouw van satellieten die speciaal voor dit doel zullen worden ingezet.



RFH, Last modified: June 24, 1996