Kees Floor, Zenit juli/augustus 2010

Vijf minuten. Langer mag het niet duren tot een waarschuwing voor vulkanische as onder piloten is verspreid. Een vlucht door een aswolk kan namelijk leiden tot uitval van straalmotoren en ontregeling van vitale instrumenten van het toestel. Met de huidige middelen om vulkanische as op te sporen, hoofdzakelijk gebaseerd op satellietwaarnemingen, is zo'n korte waarschuwingstermijn echter volstrekt onhaalbaar. Instrumenten aan boord van vliegtuigen realiseren die in de toekomst mogelijk wel.

De vijf minuten waarschuwingstijd die de luchtvaartwereld wenst, komen niet uit de lucht vallen. Het is de tijd die de uitstoot van Amerikaanse vulkaan St. Helens in 1980, nu dertig jaar geleden, nodig had om de hoogte te bereiken waarop straalvliegtuigen overkomen. De St. Helens is een van de ongeveer vijftienhonderd jonge vulkanen op aarde, waarvan er elk jaar zo'n zestig actief zijn. De vulkaan wordt, net als bijvoorbeeld de Etna op Sicilië en de Eyjafjallajökull op IJsland, voortdurend in de gaten gehouden. Daardoor is snel bekend of er wat aan de hand is. Veel andere vulkanen liggen echter ver van de bewoonde wereld, terwijl er toch vliegroutes overheen lopen. Daar zijn geen observatoria, grondradarposten of webcams die een rol kunnen spelen in een waarschuwingssysteem. Wel liggen ze enkele malen per dag, in het gunstigste geval zelfs elk half uur, in het beeldveld van satellieten die overtrekken of op een vast punt boven de evenaar zijn geplaatst. Vandaar dat veel werk is verzet om, onder het motto beter laat dan nooit, uit de metingen van instrumenten op die satellietplatforms de eventuele aanwezigheid vast te stellen van vulkanische as. De metingen zijn ook belangrijk voor computermodellen die de verdere verspreiding van de as berekenen.
Door de erupties van de vulkaan Eyjafjallajökull op IJsland, ongeveer 100 kilometer ten zuidoosten van de hoofdstad Reykjavik, in april en mei van dit jaar, kregen we weer een overzicht van de over eventuele aswolken min of meer real time verkrijgbare satellietinformatie.

1. Satellietbeeld in natuurlijke kleuren van een uitbarsting van de vulkaan Eyjafjallajökull op IJsland op 7 mei 2010. Onder de 4 tot 6 kilometer hoge pluim van as en stoom is boven zee ten zuiden van IJsland op ongeveer 1 kilometer hoogte een diffuse aswolk te zien. Het gaat om as die eerst in de buurt van de vulkaan is neergekomen en vervolgens door de wind is opgewaaid en naar zee is gevoerd. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC, MODIS Rapid Response.	Detail uit figuur 1.   Legenda van figuur 5.	5. Computeranalyse van de hoogte van de aspluim van de Eyjafjallajökull op 18 mei 2010, gebaseerd op meetgegevens van de MISR op de Amerikaanse satelliet Terra. Als ondergrond van de figuur dient een MISR-zichtbaarlichtbeeld; het bijbehorende MODIS-satellietbeeld in natuurlijke kleuren is afgebeeld als figuur 1. De aspluim bevindt zich op 4 tot 6 kilometer hoogte (geel en rood). Een wolk met boven land opgewaaide en naar zee geblazen as heeft een hoogte van ongeveer 1 kilometer (blauw). Bron: NASA/GSFC/LaRC/JPL, MISR Team.

Satellietbeelden
Als er ergens een explosieve vulkaanuitbarsting plaatsvindt, komen er vaak grote hoeveelheden vulkanische as en allerlei gassen, waaronder zwaveldioxide (SO2) in de atmosfeer terecht. In de vulkanische pluim of in de aswolk zijn de concentraties veel hoger dan normaal. Instrumenten op satellieten bekijken de aarde in verschillende golflengtegebieden in het ultraviolet, het zichtbaar licht en het infrarood. Met behulp van dergelijke stralingsmetingen kunnen aswolken en SO2-houdende pluimen gedetecteerd worden.
IJsland ligt vrij noordelijk; de Eyjafjallajökull bevindt zich op bijna 64 graden noorderbreedte. Dat is aan de rand van het bereik van de boven de evenaar geplaatste, zogeheten geostationaire satellieten, zoals de Europese weersatelliet METEOSAT-9. Hoewel dergelijke satellieten zeer frequent beelden kunnen genereren, moet men voor meer detail over vulkanen op IJsland en andere noordelijk gelegen vulkanen toch vaak terugvallen op de slechts een of enkele malen per dag overkomende polaire satellieten. Voorbeelden daarvan zijn de NOAA-weersatellieten, de Terra, de Aqua, de Aura - alle Amerikaans -, de Europese Metop-A en de Japanse GOSAT. Naarmate de aswolk dichterbij komt, neemt de bruikbaarheid van de beelden en producten van de geostationaire METEOSAT overigens snel toe. Bovendien zijn deze metingen geschikt voor het maken van animaties, zodat aswolken kunnen worden gevolgd en extrapolaties voor de korte termijn mogelijk zijn.

2. Na explosieve uitbarstingen van de IJslandse vulkaan Eyjafjallajökull op 14 april, vormde zich een aswolk, die zich met de wind mee verplaatste in zuidoostelijke richting. Op 15 april was de aswolk, althans het zichtbare gedeelte daarvan, te zien op MODIS-beelden in natuurlijke kleuren (links) en in het infrarood (rechts). De kleurstelling van het uit stralingsmetingen in verscheidene infraroodbanden samengestelde rechter satellietbeeld is zo gekozen dat de vulkanische as een rode tint heeft; ijswolken zijn blauw. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC, MODIS Rapid Response.

3. Satellietbeelden gebaseerd op metingen van de Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) op de Amerikaanse satelliet Terra, 19 april 2010. Steeds is eenzelfde gebied in beeld van 380 bij 842 kilometer van de Atlantische Oceaan direct ten zuiden van IJsland; de vulkaan Eyjafjallajökull bevindt zich geheel bovenin in het midden. Links: de aspluim recht van boven in natuurlijke kleuren. De kleuren in de figuur daarnaast geven een maat voor het aantal deeltjes in de pluim. De figuur nog meer naar rechts biedt een indruk van de deeltjesgrootte. In de figuur geheel rechts zien we dat de aswolk, in tegenstelling tot de atmosfeer daarbuiten, geen bolronde deeltjes bevat. Bron: NASA/GSFC/LaRC/JPL, MISR Team.

Zichtbaarlichtbeelden
De meeste satellieten voor weer, klimaat en milieu registreren door de aarde gereflecteerde of uitgezonden straling in een aantal verschillende golflengtegebieden, banden of kanalen, waaronder die in het zichtbaar licht. Zichtbaarlichtbeelden lijken het meest op gewone foto's, veelal zwart-wit of kunstmatig ingekleurd, maar tegenwoordig meer en meer ook in natuurlijke kleuren, zoals bij de figuren 1, 2 (links) en 3 (links).
Het satellietbeeld van figuur 1 is van 7 mei 2010 en toont de ligging van de pluim met as en stoom van de Eyjafjallajökull tussen IJsland (linksboven) en Schotland (rechtsonder). De wind is noordwest; de as waait naar het zuidoosten. De bruine tint van de pluim steekt duidelijk af tegen het diep blauw van de onderliggende noordelijke Atlantische Oceaan. Aan de zuidkant van IJsland bevindt zich tegelijkertijd boven de Atlantische Oceaan een diffuse aswolk. Deze zit veel lager dan de pluim; hij is gevormd uit as die eerst in de omgeving van de vulkaan op IJsland is neergekomen en vervolgens door de wind is opgewaaid en naar zee is gevoerd. De schaduw van de aspluim is zichtbaar op de onderliggende aswolk.
Ook tegen een ondergrond van wit getinte bewolking zijn aswolken meestal goed zichtbaar, zoals is te zien in figuur 2 (links). Dit satellietbeeld is van 15 april 2010 en toont de ligging van de aswolk die een dag eerder ontstond door de eerste vliegverkeerverstorende erupties van de vulkaan. Hoe groot de aswolken zijn die we op satellietbeelden in natuurlijke kleuren opmerken, weten we niet precies; mogelijk zien we alleen het gedeelte van de pluimen of wolken met voldoende hoge asconcentraties. Bovendien kan de as deels lager zitten dan eventueel aanwezige bewolking, zodat die vanuit de satelliet niet waarneembaar is.

Infraroodbeelden
Naast waarnemingen in het zichtbaar licht leveren de meeste satellieten ook stralingsmetingen in het infrarood. Infraroodbeelden tonen van ouds in feite temperaturen van het aardoppervlak of de bewolking erboven. De meest gebruikte golflengten voor het maken van infraroodbeelden zijn 11 en 12 m; voor het maken van temperatuurbeelden volstaan stralingsmetingen in een golflengtegebied.
Vulkanische as lijkt op de 12 m-beelden iets warmer dan in het 11 m-kanaal. Dat komt doordat de as meer warmtestraling verstrooit en absorbeert bij kortere golflengtes. Als het schijnbare temperatuurverschil 1 graad bedraagt of meer, is dat een aanwijzing voor vulkanische as; wolken van water en ijs tonen dit gedrag namelijk niet. Door informatie uit verschillende infraroodbanden te combineren is het optreden van vulkanische as en de verspreiding ervan in kaart te brengen; dergelijke meerkanaalsinfraroodbeelden wijken dus af van de klassieke temperatuurbeelden.
Het rechter deel van figuur 2 geeft het bij het linkerdeel behorende meerkanaalsinfraroodbeeld. In de hierbij gekozen kleurstelling is de aswolk rood door de aanwezigheid van silica-rijk materiaal. IJswolken zijn blauw. Gewoonlijk tonen dergelijke meerkanaalsinfraroodbeelden van aswolken ook gele tinten, die duiden op de aanwezigheid van zwaveldioxide. In dit geval ontbreken die, doordat er weinig SO2 in de wolk zat of doordat de grote hoeveelheden as het zicht op het SO2 ontnemen.
Het satellietbeeld van figuur 4 is eveneens gebaseerd op stralingsmetingen in verscheidene infraroodkanalen, in dit geval van de METEOSAT-9. Het beeld is van 18 mei 2010 04.00 UTC, het moment waarop de luchthavens van Amsterdam, Rotterdam en Groningen voor de tweede maal gesloten werden wegens een aswolk; de sluiting duurde in dit geval overigens 'slechts' zeven uur. De vulkanische as heeft op dit satellietbeeld een zalmrose tint en is onder andere zichtbaar boven de Kop van Noord-Holland.

4. Meerkanaalsinfraroodbeeld van Noordwest-Europa, 18 mei 2010 04.00 UTC. Vulkanische as heeft een zalmroze tint. De aswolk zit onder andere boven de Kop van Noord-Holland en trekt naar het oosten, zodat de luchthavens van Amsterdam, Rotterdam en Groningen zeven uur lang dicht gingen. Bron: EUMETSAT.	8. Dwarsdoorsnede door de atmosfeer met een laag vulkanische as afkomstig van de Eyjafjallajökull. Datum: 19 april 2010. Instrument: LIDAR. Satelliet: CALIPSO. Bron: NASA/Kurt Severance and Tim Marvel.

Terra
De satellietbeelden van de figuren 1 en 2 zijn gebaseerd op meetgegevens van de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) op de Amerikaanse satelliet Terra. De Terra draait op ruim 700 kilometer hoogte in ongeveer 99 minuten rond de aarde. De MODIS tast het aardoppervlak en de bewolking daarboven af over 2300 kilometer brede stroken recht onder de satelliet. Daarmee komt iedere locatie op aarde elke dag of om de dag in beeld. De Terra voert echter meer instrumenten mee, waaronder de Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR). De stroken die dit instrument aftast, zijn 400 kilometer breed, zodat een plaats op aarde minder vaak in beeld is, elke 4 tot 7 dagen. De MISR, die meet in vier verschillende golflengtegebieden, kan net als de MODIS recht naar beneden waarnemen (figuur 3, links), maar kijkt vrijwel tegelijkertijd ook naar het aardoppervlak en de bewolking daarboven onder zes andere gezichtshoeken. Dat biedt mogelijkheden tot het verkrijgen van aanvullende informatie, zoals die over de hoogte van aswolken, de kenmerken van de deeltjes in de wolk en de aantallen daarvan. Zo toont figuur 5 de resultaten van een computeranalyse van de hoogte van de aswolk op 7 mei; het bijbehorende MODIS-zichtbaarlichtbeeld werd reeds getoond in figuur 1. De kleurencode voor de hoogte loopt van 0 ( blauw) tot 6 kilometer (rood). De pluim bevindt zich blijkens de gele en rode tinten hoofdzakelijk op een hoogte van 4 tot 6 kilometer. De wolk van opgewaaide en weggeblazen as bij de zuidkust van IJsland heeft een hoogte van ongeveer 1 kilometer (blauw).
Figuur 3 laat vier maal hetzelfde gebied zien van de vulkaan op IJsland en de aswolk boven de Atlantische Oceaan ten zuiden daarvan op 19 april. De beelden bestrijken een oppervlak van 380 bij 842 kilometer. Links zien we de as recht van boven in natuurlijke kleuren met een resolutie van ruim 1 kilometer. De resolutie van de drie andere onderdelen van figuur 3 bedraagt 17,6 kilometer. De kleuren in de afbeelding direct naast het zichtbaarlichtbeeld geven een indruk van het aantal deeltjes in de aswolk. In de wolk is dat vijf maal zo groot als daarbuiten. De figuur daarnaast levert een maat voor de grootte van de deeltjes; in de aspluim zijn de deeltjes groter dan elders. Het meest rechtse deel van figuur 3 geeft een indruk van de vorm van de deeltjes in de atmosfeer. De asdeeltjes zijn in het geheel niet bolvormig, in tegenstelling tot de bolvormige druppeltjes rond maritieme deeltjes buiten de wolk.

GOSAT of IBUKI
De aswolken van de Eyjafjallajökull werden eveneens gezien door de Japanse GOSAT, ook bekend onder de locale naam IBUKI. Deze satelliet is in eerste instantie bedoeld voor het waarnemen van broeikasgassen in de atmosfeer, maar beschikt tevens over een instrument om wolken en aerosolen, kleine stofdeeltjes in de atmosfeer, te detecteren. De TANSO-CAI, zoals dit instrument heet, kijkt naar de aarde in drie golflengtegebieden: het nabij-infrarood, het zichtbaar licht en het ultraviolet. De sensor van het instrument meet het in die golflengtegebieden teruggekaatste zonlicht. De GOSAT draait op 666 kilometer hoogte in ongeveer 98 minuten rond de aarde. De poolstreken komen elke omloop in beeld; meer richting evenaar vallen er gaten tussen de tijdens opeenvolgende omlopen gescande stroken. Bij het genereren van het satellietbeeld van figuur 4 zijn metingen van vier opeenvolgende omlopen gebruikt. Gegevens over Nederland en België ontbreken vrijwel geheel. Wel is de aswolk boven Duitsland, Polen en de Baltische landen goed te zien door zijn bruinige kleur. Bewolking is wit, zeeën en oceanen zijn blauw en vegetatie heeft een rood-paarse tint.
Andere instrumenten die deeltjes in de atmosfeer opsporen zijn de Gome-2 op de Europese polaire satelliet MetOp-A (figuur 7a) en de Nederlands-Finse OMI op de Amerikaanse polaire satelliet Aura (figuur 7b). Beide instrumenten nemen niet alleen de deeltjes in de atmosfeer waar, zoals de TANSO-CAI op de GOSAT, maar ook de SO2-concentraties (figuur 7b, muis op figuur).

7a. In de aswolk van de Eyjafjallajökull bevinden zich veel deeltjes; daardoor is de aerosol index er hoog. De rode kleur geeft de hoogste waarde aan. Datum 16 april. Instrument: GOME-2. Satelliet: MetOp. Bron KNMI/EUMETSAT.	7b. Mouse off: Ligging van de aerosolen van de aswolk van de Eyjafjallajökull op 15 april. Mouse on: SO2-concentraties op 15 april 2010. Instrument: OMI. Satelliet: Aura. Bron: NASA/KNMI.

CALIPSO
De informatie over de wolken met vulkanische as die tot nog toe werd besproken, was steeds gebaseerd op passieve stralingsmetingen. De instrumenten zenden zelf geen straling uit, maar registreren warmtestraling of gereflecteerde zonnestraling. De meetresultaten leveren een beeld van de aswolk in vogelvlucht.
De Frans-Amerikaanse CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) satelliet gaat anders te werk. De LIDAR op deze satelliet zendt korte pulsen laserlicht naar de aarde en meet hoeveel daarvan weer terugkomt bij de satelliet. De sterkte van het teruggekaatste signaal geeft informatie over aanwezige lagen met bewolking, vulkanische as, rook, stof en andere aerosolen. Uit de tijd die de lichtpuls nodig heeft om de afstand naar de aarde en terug af te leggen, kan de hoogte van de lagen worden bepaald. Op die manier kan een vertikale doorsnede van de dampkring worden gemaakt (figuur 8). De afbeelding toont de situatie van 19 april. De aswolk is zichtbaar als een dunne laag met deeltjes, waarvan de hoogte varieert van 1700 meter tot ruim 7 kilometer. De bewolking zit veelal hoger en de wolkenlagen zijn aanzienlijk dikker dan de aslaag. Of er nog as zit onder de bewolking, kan het instrument niet zien. De gele laag dicht bij het aardoppervlak boven Frankrijk wordt vermoedelijk veroorzaakt door luchtverontreiniging.
LIDAR's kunnen ook, eenvoudiger zelfs, opgesteld worden op het aardoppervlak en vandaaraf metingen verrichten. Ze staan onder andere op het KNMI-terrein in Cabauw, waar ze gebruikt worden om dwarsdoorsneden te maken door de atmosfeer. Figuur 9 geeft meetresultaten van 16 april 2010, de dag dat de vulkanische as zich de eerste maal boven Nederland bevond; de tijd loopt van 10.00 UTC (links) tot 14.00 UTC. Aanvankelijk belemmert bewolking rond 1 km hoogte nog grotendeels het zicht op een eventueel aanwezige aslaag. Daarna is tussen ongeveer 2 en 2.5 km hoogte een sterk reflecterende, donkerrode laag zichtbaar, vermoedelijk vulkanische as van de Eyjafjallajökull.

9. Dwarsdoorsnede door de atmosfeer met vermoedelijk een laag vulkanische as (donkerrood) afkomstig van de Eyjafjallajökull. Datum: 16 april 2010, 10.00 (links) -14.00 UTC. Instrument: LIDAR, opgesteld op het aardoppervlak te Cabauw (Utrecht). Bron: KNMI.	10. Een detector voor vulkanische as op een vliegtuig ziet het verschil in warmtestraling tussen een aswolk en een water- of ijswolk. Bron: CSIRO.

Vijf minuten
In het voorgaande zagen we dat er dankzij satellieten en grondwaarnemingen met LIDAR's al veel mogelijk is op het gebied van detectie van aswolken van niet door webcams of observatoria bewaakte vulkanen. Toch blijft de door de luchtvaart gevraagde waarschuwingstijd van vijf minuten een utopie. Als informatie uit het zichtbaar licht nodig is, kan dat alleen overdag. Bovendien gooit bewolking vaak roet in het eten. Verder komen polaire satellieten slechts een of enkele malen per dag over. Zelfs als geostationaire satellieten een sluitend waarneemsysteem zouden kunnen verzorgen, is de frequentie nooit hoger dan eens per half uur, nog altijd veel meer dan vijf minuten.
De problemen die vulkanische as veroorzaakt, zijn echter te ingrijpend en komen te vaak voor om de handdoek dan maar in de ring te werpen. De Australische wetenschapper Fred Prata werkt al sinds 1991 aan een methode om toch tijdig te waarschuwen. In de door hem voorgestelde aanpak, ontwikkeld bij CSIRO Atmospheric Research, wordt de detectieapparatuur geplaatst op de vliegtuigen zelf. De methodiek is weer gebaseerd op verschillen in gedrag tussen aswolken en gewone bewolking in het infrarood bij verschillende golflengtegebieden. Instrumenten die volgens dit principe werken zijn al op proef geplaatst op het aardoppervlak bij de Etna op Sicilië en bij andere actieve vulkanen en daar succesvol gebleken. Een volgende, logische stap is om vliegtuigen ermee uit te rusten, aldus Prata (figuur 10). Op de gewone radar van vliegtuigen zijn de aswolken namelijk niet te zien, zodat een afzonderlijk instrument nodig is. De bemanning moet met de apparatuur op minimaal 80 km afstand een aswolk kunnen zien aankomen. Ze heeft dan nog vijf tot tien minuten de tijd om de as te ontwijken en anderen te waarschuwen. Dat is net tijdig genoeg om aan de verlangens van de luchtvaartwereld te voldoen.
Helaas slaagde Prata, die thans verbonden is aan het Norwegian Institute for Air Research, er tot op heden niet in om financiers te vinden voor praktijkproeven met door hem ontwikkelde asdetectieapparatuur voor vliegtuigen, zo verklaarde hij onlangs tegen een wetenschapsjournalist van de New Scientist. Misschien dat de gebeurtenissen van april en mei van dit jaar, toen 6,8 miljoen luchtreizigers strandden, het tij doen keren en dat er zich alsnog een sponsor meldt die Prata in staat stelt zijn ideeën te realiseren.