Kees Floor, Meteorologica juni 2010
Kees Floor, Meteorologica juni 2010
Bij het detecteren en volgen van vliegverkeerbedreigende vulkanische as is een belangrijke rol weggelegd voor remote sensing vanuit de ruimte. Dankzij de recente uitbarstingen van de Eyjafjallajökull op IJsland in april en mei van dit jaar, kregen we een mooi overzicht van de state of the art.
Sinds er eind jaren zeventig van de vorige eeuw geostationaire weersatellieten
in gebruik waren genomen, zijn de beelden in het zichtbaar licht en het infrarood
van die satellieten onder andere gebruikt voor het opsporen van vulkanische
as. Deze as vormt namelijk een gevaar voor het vliegverkeer. Vooral na twee
bijna-ongelukken door uitgevallen straalmotoren in 1982 (Britisch Airways, Galunggung,
Java) en 1989 (KLM, Mt. Redoubt, Alaska) zat de schrik er in de luchtvaartwereld
goed in. De satellietinformatie vormde een waardevolle aanvulling op de incidentele
waarnemingen van piloten en vulkanologen; de webcam moest nog worden uitgevonden.
De eerste keren dat het nut van satellietbeelden na grote vulkaanuitbarstingen
kon worden beproefd, was in mei 1980 bij de St. Helens in de Verenigde Staten
en in maart 1982 bij de El Chicon in Mexico. De dikke aspluimen waren direct
na de erupties op de satellietbeelden goed te zien. Na verloop van tijd, soms
al na enkele uren, gaat zo'n pluim over in een meer diffuse aswolk. Zo'n wolk
laat zich veel moeilijker lokaliseren in beelden die gebaseerd zijn op stralingsmetingen
in slechts een golflengtegebied; ze kunnen gemakkelijk verward worden met sluierbewolking
of te weinig afsteken tegen de ondergrond, vooral boven land.
 |
 |
 |
|
|
|
|
Uitbarsting van de Etna op Sicilië in het zichtbaar licht (muis naast beeld) en met zogeheten dust-enhancement (muis op beeld). Datum: 30 oktober 2002. Instrument: SeaWiFs. Satelliet: Seastar. |
Split-window
Geleidelijk aan werden de polaire en geostationaire weersatellieten voorzien
van instrumenten met meer zichtbaarlicht- en infraroodkanalen. Bij de keuze
van de golflengtegebieden speelde de detectie van vulkanische as overigens nog
geen rol; steeds ging het om een bijproduct van instrumenten die eigenlijk bedoeld
waren voor 'gewone' meteorologische waarnemingen. Toch bleken belanghebbenden
bij aswolken er al mee vooruit te kunnen. Bij vergelijking van metingen in verschillende
infraroodkanalen vond men namelijk dat de vulkanische as in het 12 m-infraroodkanaal
iets warmer toont 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. Op deze zogeheten split-windowmethode
gebaseerde satellietproducten kwamen beschikbaar als hulpmiddel voor het detecteren
van vulkanische as. Ze werden bijvoorbeeld gebruikt om de verspreiding in kaart
brengen van de as die vrijkwam bij de uitbarsting van de Mt. Spurr in Alaska
van september 1992.
Meer infraroodbanden
De split-windowmethode vereiste echter veel handwerk van dure meteorologen en
ontwikkelaars en vertoonde te veel beperkingen om bruikbaar te kunnen zijn voor
bijvoorbeeld geautomatiseerde detectie. Zo kan een aswolk geheel schuil gaan
achter bewolking, te ijl zijn of te kleinschalig om bij de beschikbarre resolutie
te kunnen worden opgemerkt. Als gevolg daarvan werden met deze aanpak in sommige
gevallen aswolken gemist terwijl in andere situaties sprake was van een vals
alarm.
Rond de eeuwwisseling maakte men een begin met het verbeteren van de split-windowmethode
door infraroodinformatie toe te voegen uit andere golflengtegebieden die gevoelig
zijn voor vulkanische as of andere bestanddelen van aswolken, zoals zwaveldioxide
en sulfaten. Daartoe werden stralingsmetingen gebruikt van het 3,9 m-kanaal
van de GOES de NOAA-AVHRR en de METEOSAT-9 en van de 8,7 m-band van MODIS en
METEOSAT-9. Doordat uitsluitend met infrarood werd gewerkt, kon de asdetectie
zowel overdag als 's nachts doorgaan.
'Gewone' satellietbeelden worden allang niet meer goed genoeg bevonden om de
karakteristieken van aswolken vast te leggen. De informatie uit de infraroodbanden
van de MODIS op de Terra en de Aqua, de AIRS op de Aqua en de METEOSAT-9 wordt
daarom ook gebruikt voor het aanmaken van specifieke producten, zoals de asconcentraties,
de aanwezigheid van zwaveldioxide (SO2), de grootte van de asdeeltjes en de
hoogte daarvan. Op methoden om de hoogte van een aswolk of SO2-concentraties
te bepalen komen we verderop terug.
 |
|
|
|
Aerosolen en SO2
In het voorgaande kwam het gebruik van metingen in het zichtbaar licht en het
infrarood aan de orde. Sommige satellieten voeren tegenwoordig ook instrumenten
mee die de verstrooiing meten in het zichtbaar licht en het ultraviolet. Voorbeelden
zijn de Nederlands-Finse OMI op de Amerikaanse satelliet Aura, de GOME-2 op
de Europese MetOp-A en de TANSO-CAI op de Japanse satelliet GOSAT of IBUKI.
Uit de meetgegevens wordt informatie afgeleid over onder andere de hoeveelheid
aerosolen in de atmosfeer en de hoeveelheid zwaveldioxide. Doordat vulkanen
naast as ook gassen uitstoten, waaronder SO2 , kunnen de metingen daarvan gebruikt
worden voor het lokaliseren van een aswolk. Voorzichtigheid blijft geboden;
de SO2 zit namelijk vaak hoger dan de asdeeltjes, zodat de verplaatsing bij
sterke windschering uiteen kan lopen en er verschillen gaan optreden tussen
de posities van de as en van de SO2.
Hoogte aswolk
De satellietbeelden die tot nog toe werden besproken, zijn bedoeld om te laten
zien waar aspluimen en aswolken zich bevinden. Naast de locatie van de as, is
ook de reeds eerder genoemde hoogte ervan belangrijk: misschien is het in sommige
gevallen mogelijk over de as heen te vliegen of eronderdoor te gaan. Er blijken
op satellieten ook instrumenten meegevoerd te worden die gegevens leveren waaruit
de hoogte is te bepalen. Zo bekijkt de Multi-angle Imaging SpectroRadiometer
(MISR) op de Terra de aarde in vier verschillende golflengtegebieden onder zeven
verschillende gezichtshoeken. Daarmee kunnen stereoscopische beelden worden
gemaakt, waaruit onder andere hoogtes kunnen worden afgeleid.
Een geheel andere benadering wordt gebruikt door de Frans-Amerikaanse CALIPSO
(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) satelliet.
Op dit satellietplatform is onder andere een LIDAR, de Cloud-Aerosol Lidar with
Orthogonal Polarization (CALIOP), geplaatst, die korte pulsen laserlicht naar
de aarde zendt en vervolgens 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, waarop eventuele aswolken zichtbaar zijn.
 |
 |
 |
| 3. Vulkanische as boven de Atlantische Oceaan. Bij het construeren van het satellietbeeld zijn gegevens uit verscheidene infraroodbanden gebruikt. Vulkanische as is oranje of zalmrose. Datum 9 mei 2010. Instrument: SEVIRI. Satelliet: METEOSAT-9. © EUMETSAT 2010. |
|
5. SO2 -concentraties van 15 april 2010 verraden de aanwezigheid van vulkanische as, afkomstig van de vulkaan Eyjafjallajökull op IJsland. Instrument: OMI. Satelliet: Aura. Bron: NOAA Environmental Visualization Laboratory. |
Eyjafjallajökull (1): VIS-beelden
De uitbarstingen van de Eyjafjallajökull op IJsland in april en mei van
dit jaar brachten de vulkanische as en de methoden om aswolken te detecteren
weer volledig in de belangstelling. Bij de erupties kwam mede door de wisselwerking
van het hete magma en het koude ijs veel vulkanische as in de lucht terecht.
Doordat de as eerst naar Europa dreef en in een later stadium de trans-Atlantische
vliegroutes ging blokkeren, ondervond het vliegverkeer nooit eerder zo veel
overlast van vulkanische as. Maar ook nooit eerder werd er zo veel materiaal
verzameld voor wetenschappelijk onderzoek. Weerkundige centra, meteorologische
onderzoeksinstituten en luchtverkeersorganisaties stonden op scherp en verzamelden
wat ze aan informatie binnen konden krijgen. Tegelijkertijd maakten ze van de
gelegenheid gebruik om te tonen wat ze aan informatie, producten en kennis beschikbaar
hadden om de samenleving als geheel en de luchtvaartwereld in het bijzonder
van dienst te zijn.
Het meest tot de verbeelding sprekend zijn mijns inziens nog altijd de zichtbaarlichtbeelden,
bij voorkeur in natuurlijke kleuren zoals bijvoorbeeld op routinebasis beschikbaar
van de MODIS op de Amerikaanse satellieten Terra en Aqua. Zo geeft figuur 1
het MODIS-beeld van 11 mei 2010. Op die dag waren er enkele luchthavens in Spanje
en op de Canarische Eilanden dicht vanwege vulkanische as. De uitbarsting is
nog in volle gang en aan de vulkaan ontspringt een strakke pluim. De as in de
pluim wordt met stevige noordenwinden naar het zuiden gevoerd, de Atlantische
Oceaan op. De as is minstens 860 kilometer zichtbaar. Goed is te zien dat de
aswolk diffuser wordt; aan de onderkant van het beeld zijn de begrenzingen van
de wolk nog maar moeilijk te bepalen. De figuur toont ook de meerwaarde van
kleur; door de bruine tint is de aswolk veel makkelijker te onderscheiden dan
wanneer er stralingsmetingen uit slechts een zichtbaarlichtkanaal zouden zijn
gebruikt (Zet de muis op figuur 1 om het verschil te zien).
Eyjafjallajökull (2): IR-beelden
Ook bij de constructie van de infraroodbeelden die werden vrijgegeven, werden
meerdere kanalen gebruikt. Een voorbeeld geeft het satellietbeeld van figuur
2. De aspluim trekt over de Britse Eilanden. In de figuur bevindt IJsland zich
linksboven; rechtsonder is nog net gedeelte van Nederland te zien. Het beeld
is nog vrij sober en de presentatie van de meetgegevens lijkt sterk op de 'klassieke'
eenkanaalsinfraroodbeelden. Alleen de oranje pluim en aswolken laten zien dat
de informatie waarop het MODIS-beeld is gebaseerd, afkomstig moet zijn uit verscheidene
banden. De ingetogenheid van de Amerikanen steekt schril af tegen de voorkeur
voor een uitbundige kleurstelling die de Europeanen aan de dag blijken te leggen.
Zo geeft figuur 3 een voorbeeld van een op verscheidene infraroodkanalen gebaseerd
METEOSAT-beeld De afbeelding geeft de situatie op 9 mei 03.00 UTC; de aspluim
en de aswolken zijn overwegend oranje of zalmrose.
Figuur 4 is eveneens een afgeleide van stralingsmetingen in verscheidene infraroodkanalen.
Met algoritmes werden daaruit de asconcentraties bepaald. De afbeelding geeft
de situatie van 16 april 2010, de dag dat er zich voor het eerst vliegverkeerverstorende
vulkanische as boven Nederland bevond. De fraaie presentatie door het NOAA Environmental
Visualization Laboratory suggereert vermoedelijk een grotere precisie dan wetenschappelijk
onderbouwd kan worden, maar blijft mooi.
 |
 |
||
 |
|
 |
|
Eyjafjallajökull (3): meer beelden
Medewerkers van dezelfde organisatie verzorgden ook de presentatie van de OMI-
SO2-metingen van een dag eerder (figuur 5). De aswolk stond toen op het punt
de Noordzee op te trekken en was onderweg naar Nederland en België.
Figuur 6 geeft een voorbeeld van een hoogtepresentatie. Het beeld is gebaseerd
op satellietmetingen van de MISR op 16 mei, de dag dat er voor de tweede maal
luchthavens in Nederland dicht gingen. Als ondergrond dient een satellietbeeld
in natuurlijke kleuren; de sensor kijkt recht naar beneden. Op plaatsen waar
vulkanische as is geconstateerd waarvan de hoogte bepaald kan worden, zijn de
natuurlijke kleuren vervangen door regenboogkleuren. De nauwkeurigheid bedraagt
ongeveer 0,5 kilometer. De kleurencode voor de hoogte loopt van 0 ( blauw) tot
9 kilometer (donkerrood). De aspluim reikt dicht bij de vulkaan tot een hoogte
van ruim 8 kilometer. Verderop, op 250 kilometer stroomafwaarts, bedraagt de
hoogte nog bijna 5 kilometer.
Eyjafjallajökull (4): vertikaal profiel
De satellietbeelden van de figuren 1 tot en met 6 tonen de aswolk van de Eyjafjallajökull
van boven af gezien in vogelvlucht. Figuur 7 is afwijkend; we zien hier een
verticale doorsnede door de atmosfeer, gebaseerd op LIDAR-metingen van de Calipso.
Volgens dit dwarsprofiel van 16 mei 2010 zit er een aswolk op 4 tot 6 kilometer
hoogte; de bewolking hangt een stuk lager op een hoogte van ongeveer 2 kilometer.
De positie van de doorsnede is in figuur 2 aangegeven met een rode lijn, die
over de Atlantische Oceaan vlak ten westen van Ierland in noordoostelijke richting
loopt.
 |
 |
|
2. Infraroodbeeld van IJsland en de Britse Eilanden. Vulkanische as is oranje. Figuur 7 geeft een dwarsdoorsnede langs de rode lijn boven de Oceaan ten westen van Ierland. Datum: 16 mei 2010. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA. Klik op de figuur voor een vergroting. |
________________________
Meer voorbeelden van satellietbeelden van de uitbarsting van de Eyjafjallajökull:
Meer voorbeelden van satellietbeelden van de vulkaanuitbarstingen:
