Kees Floor, Meteorologica september 2013
Kees Floor, Meteorologica september 2013
Het dag/nachtkanaal van het VIIRS-instrument op de Amerikaanse weersatelliet Suomi NPP gunt ons een kijkje op de aarde in het donker. Bij volle maan is er bijna net zo veel te zien als overdag. Zwakke lichtbronnen, zoals de verlichting van steden, natuurbranden, bliksemflitsen en poollicht, vormen voor de VIIRS geen probleem.
Weersatellieten leveren al tientallen jaren in steeds beter wordende kwaliteit
beelden van het aardoppervlak en de bewolking daarboven in onder andere zichtbaar
licht. Doordat dergelijke beelden gebaseerd zijn op op de sensors invallende
hoeveelheden gereflecteerd zonlicht, zijn ze alleen overdag bruikbaar; 's nachts
is er niets te zien.
Naast de 'burgerweersatellieten' van de NOAA zijn er echter ook militaire exemplaren,
die wél wat kunnen zien in het donker. De satellieten van het zogeheten
Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) zijn namelijk uitgerust met
het Operational Linescan System (OLS), dat aan maanlicht voldoende heeft om
zichtbaarlichtbeelden te genereren en ook onder andere poollicht en het licht
van steden en natuurbranden kan registreren (Floor 2003). De OLS is in gebruik
sinds eind jaren zestig van de vorige eeuw, maar aanvankelijk werden de meetgegevens
beschouwd als militair gevoelige informatie en kwamen er geen beelden vrij.
 |
 |
 |
|
|
|
VIIRS-dag/nachtkanaal
Toen uit kostenoverwegingen besloten werd de satellietprogramma's van NOAA en
DMSP in elkaar te schuiven, werd de mogelijkheid om de donkere aarde met zichtbaarlichtbeelden
te kunnen blijven gadeslaan, gelukkig niet geschrapt. Sinds kort beschikken
we dan ook over een instrument, de Visible Infrared Imaging Radiometer Suite
(VIIRS), waarvan een van de 22 banden, het zogeheten dag/nachtkanaal (DNB),
kan worden beschouwd als de directe opvolger van de OLS (Lee et al. 2006). Het
instrument bevindt zich aan boord van de in november 2011 gelanceerde aardobservatiesatelliet
Suomi National Polar-orbiting Partnership (NPP), vernoemd naar de Amerikaanse
satellietmeteorologiepionier Verner E. Suomi (1915-1995), wiens Finse ouders
in 1902 emigreerden naar de Verenigde Staten. De satelliet cirkelt rond de aarde
op een hoogte van 834 kilometer. De VIIRS scant de aarde in 3000 kilometer brede
stroken. De stroken vertonen voldoende overlap om te voorkomen dat er gaten
ontstaan in het waargenomen gebied, zoals bij de MODIS op de satellieten Terra
en Aqua op lagere geografische breedten nog wél het geval is. De Suomi
NPP komt twee keer per dag over, rond 01.30 en rond 13.30 plaatselijke tijd.
Het dag/nachtkanaal verzwakt heldere lichtbronnen en versterkt zwakke lichtbronnen
om ze op de resulterende beelden zo goed mogelijk zichtbaar te laten zijn. De
zwart-wit DNB-beelden tonen bewolking (figuur 1), mist, aardoppervlak, zee-ijs,
stof, luchtverontreiniging, vulkanische as en landkenmerken als kustlijnen,
rivieren, woestijnen en gebergten op dezelfde manier als de ons vertrouwde zichtbaarlichtbeelden
van de operationele polaire of geostationaire satellieten. Daarnaast tonen de
beelden soms ook lichtbronnen in de atmosfeer of aan het aardoppervlak, zoals
poollicht (figuur 2) en bliksem (zie verderop) en boven land het licht van steden
(alle figuren), van natuurbranden en van olie- en gaswinning. Op zee zien we
de lichten van scheepvaart, visserij of offshore en opnieuw van olie- en gaswinning
(Perzische Golf in figuur 3, Golf van Mexico in figuur 4). Vaste lichtbronnen
aan het aardoppervlak bieden dezelfde hulp bij de interpretatie van de beelden
als de landkenmerken: ze vergemakkelijken de oriëntatie, zijn goed zichtbaar
bij helder weer en moeilijker of niet te zien als het bewolkt is.
Het nieuwe instrument toont zwakke lichtbronnen en verschijnselen in maanlicht
10 tot 15 maal beter dan zijn voorganger; tegelijkertijd werd de resolutie verhoogd
van 3 kilometer per beeldelement van de OLS naar ongeveer 750 meter per beeldelement
van het dag/nachtkanaal van de VIIRS. Overigens tonen de nachtfoto's die de
astronauten vanuit het internationaal ruimtestation ISS maken nog meer detail
(vergelijk figuur 5): een beeldelement komt overeen met een gebied van enkele
tientallen tot enkele honderden meters. De ISS-beelden zijn echter slechts incidenteel
beschikbaar, dus niet op routinebasis 24/7/365, zoals bij de VIIRS het geval
is.
3. VIIRS-dag/nachtbeeld van de Perzische Golf en omgeving in het licht van de Volle Maan (muis naast beeld, 30 september 2012) en bij Nieuwe Maan (muis op beeld, 15 oktober 2012). (Bron: NASA). Meer beelden (werkt met Firefox)
Gereflecteerd maanlicht.
's Nachts vormt de maan de belangrijkste lichtbron voor de belichting van de
aarde op DNB-beelden. De lichtsterkte varieert van dag op dag echter sterk doordat
ze afhankelijk is van de maanfase en de positie van de maan. De belichting is
optimaal als de volle maan zo hoog mogelijk aan de hemel staat, maar voldoende
gedurende de gehele periode tussen Eerste en Laatste Kwartier, althans voor
zover de maan voor het in beeld gebrachte gebied boven de horizon staat. Tijdens
routinecontroles van de VIIRS-DNB bleek echter totaal onverwacht dat er zelfs
bij Nieuwe Maan bewolking zichtbaar te maken is, waarbij het nachthemellicht
(airglow) als lichtbron fungeert (Miller et al. 2012). Nachthemellicht ontstaat
door de wisselwerking van zonlicht met moleculen en atomen in de dampkring op
een hoogte van ongeveer honderd kilometer.
De rol van het maanlicht wordt duidelijk geïllustreerd in de beelden van
het Arabisch Schiereiland, Iran, de Perzische Golf en de Golf van Oman (figuur
3). Het lichtere beeld toont het gebied bij Volle Maan, het donkere beeld bij
Nieuwe Maan. Bij Volle Maan zijn de kustlijnen en details in het landschap het
best zichtbaar. Bij Nieuwe Maan springt de verlichting van bewoonde gebieden
(ook op eilanden), autowegen, schepen en installaties voor oliewinning het meest
in het oog. Verstedelijkte gebieden in Saoedi-Arabië treft men aan rond
de hoofdstad Riyad, geheel linksonder in beeld, en langs de noordoostkust. In
de Golfstaten Qatar en de Verenigde Arabische Emiraten baden niet alleen steden
als Doha en Dubai maar ook de belangrijkste autosnelwegen in het licht.
Het maanlicht komt verder goed van pas in alle gevallen waarin we overdag naar
een zichtbaarlichtbeeld zouden grijpen, zoals bij de detectie van mistvelden
en van laaghangende bewolking. Doordat de temperatuur van de bovenzijde van
een mistlaag niet of nauwelijks afwijkt van de temperatuur van het aardoppervlak,
is de mist op infraroodbeelden, die in feite temperatuurverschillen tonen, niet
te zien. Op zichtbaarlichtbeelden is mist altijd wél goed zichtbaar.
Doordat het dag/nachtkanaal van de VIIRS genoegen neemt met maanlicht als lichtbron,
kan het de mist dus toch 's nachts afbeelden en volgen. Ook voor de poolgebieden
vormen de op maanlicht gebaseerde beelden een uitkomst, vooral tijdens de lange
poolnachten. Doordat de gescande stroken in de poolstreken veel overlap vertonen,
zijn satellietbeelden er bovendien frequenter beschikbaar dan dichter bij de
evenaar, waar de nachten 's winters korter duren.
 |
 |
|
|
Bliksem
Een nachtelijk satellietbeeld van het dag/nachtkanaal van de VIIRS is direct
te vergelijken met een 'gewoon' zichtbaarlichtbeeld van overdag. Aanvullend
zijn er echter verscheidene, eerder genoemde lichtbronnen zichtbaar, die overigens
op een voorspelbare manier worden afgebeeld. Een uitzondering op deze voorspelbaarheid
vormt de bliksem, die op de DNB-beelden de vorm aanneemt van langgerekte, min
of meer rechthoekige, lichtgetinte blokken in de scanrichting van het instrument,
dus loodrecht op de bewegingsrichting van de satelliet (figuur 4) (Hillger 2013).
Als het instrument een scan uitvoert, wordt een bliksemflits of de door die
flits belichte bewolking in elke sensor zichtbaar als een dunne, witte streep.
Het instrument heeft 16 verschillende sensoren, die de aarde tegelijkertijd
aftasten. Doordat het gebied waar de bliksemontlading optreedt doorgaans groot
genoeg is om al die sensoren te bedienen, resulteert dat in 16 streepjes, die
gezamenlijk het rechthoekige blok vormen. Bij een volgende scan is er van de
bliksem niets meer te zien, wat leidt tot abrupte uiteinden van de lichte blokken
in de bewegingsrichting van de satelliet.
|
Literatuur Websites |
 |
|
