|
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
|