Méér dan weerbeelden
Satelliet Terra vijf jaar in de lucht
Kees Floor , Zenit december 2004

Op 18 december 1999 bracht een geslaagde lancering de Amerikaanse satelliet 'Terra' in een baan rond de aarde. Aan boord bevond zich onder andere het MODIS-instrument, dat in de tussenliggende vijf jaar de bron vormde van een lawine van schitterende satellietbeelden. De stroom kleurenbeelden nam nog verder toe nadat op 4 mei 2002 de zustersatelliet 'Aqua' werd gelanceerd met een zelfde instrument aan boord. De Aqua vult sindsdien de ochtendbeelden van de Terra aan met middagbeelden. Sinds de lanceringen heeft het succesvolle satellietenduo in een periode van vijf jaar talrijke indrukwekkende opnamen opgeleverd van tropische cyclonen, gigantische bosbranden, hevige sneeuwstormen, opkrullende oceaandepressies, afkalvende ijsbergen, bloeiende algen, grootschalige stofstormen en rokende vulkanen. Zenit toonde daarvan in de afgelopen jaargangen al een aantal zeer gedetailleerde voorbeelden *). Mogelijk werd daarmee de suggestie gewekt dat de beide satellieten slechts ordinaire, zij het kwalitatief hoogwaardige, fotogeneratoren zijn; ze blijken echter tot veel meer in staat. MODIS heeft meer taken dan foto's maken en er bevinden zich bovendien nog andere instrumenten aan boord.


Figuur 1. Stofstorm boven de Sahara. Datum: 6 maart 2004. Instrument: MODIS.
Satelliet: Aqua. Bron: NASA.

Figuur 3. Zeewatertemperatuur in de Golf van Mexico en de Caribische Zee. Datum: 10 december 2003. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA.

MODIS
MODIS staat voor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer. MODIS is het belangrijkste instrument op de Terra en de Aqua, die daarnaast nog vier of vijf andere instrumenten meevoeren. De MODIS-satellietbeelden onderscheiden zich op verscheidene punten van de klassieke beelden van operationele weersatellieten. Zo zijn er beelden beschikbaar in 'ware kleuren' (figuur 1); de klassieke zichtbaarlichtbeelden tonen steeds grijstinten of zijn kunstmatige ingekleurd op basis van aanvullende informatie uit het infraroodkanaal ((false color). Daarnaast bezitten de MODIS-satellietbeelden veel meer detail: de resolutie bedraagt 250 m, tegen 1 km of meer bij de meeste operationele weersatellieten. Elke plaats op aarde is bij daglicht dagelijks in beeld, als tenminste beide satellieten actief zijn. Mocht een van de satellieten buiten bedrijf zijn, dan vallen er gaten in de dekking en zijn sommige plekken slechts om de andere dag te zien (zie figuur 1 en 5). Weersatellieten die een vergelijkbare baan rond de aarde volgen, hebben elk punt op aarde enkele malen per dag in het vizier.


Figuur 2. Hittegolf in Pakistan. Datum: 21 mei 2004. Instrument: MODIS.
Satelliet: Aqua. Bron: NASA.


Figuur 4. Hittegolf in Frankrijk: verschil in gemiddelde maandtemperatuur van het aardoppervlak in juli 2003 en juli 2001. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA.


Figuur 5. Dikte van het sneeuwdek. Datum: 7 december 2003. Instrument: AMSR-E. Satelliet: Aqua. Bron: NASA.


Figuur 6. Zeewatertemperatuur. Datum: 1 mei 2003. Instrument: AMSR-E. Satelliet: Aqua. Bron: NASA

Missie
De lagere frequentie van de beelden hangt samen met het beoogde gebruik, de zogeheten missie, van de satellieten. De gegevens zijn niet in eerste instantie bedoeld voor de dagelijkse weersverwachting, maar veeleer voor het klimaatonderzoek. Daarvoor is eerst nodig het huidige klimaatsysteem in kaart te brengen, inclusief de rol van menselijke activiteiten daarin.
De MODIS bekijkt de aarde door 36 verschillende brillen; satellietontwerpers spreken van 36 kanalen of vensters. Door het grote aantal kanalen en door de aanwezigheid van aanvullende instrumenten, kunnen de Terra en de Aqua veel meer informatie opleveren dan alleen maar beelden met de posities van bewolking en weersystemen. Boven land sporen de Terra en de Aqua gemakkelijk brandhaarden op; deze worden vaak als rode stippen in de 'gewone' satellietbeelden opgenomen. Verder leveren de satellieten informatie over landgebruik en veranderingen daarin door verstedelijking of door de omzetting van bossen en regenwoud in landbouwgrond. De temperatuur van het landoppervlak en de vochtigheid van de bodem worden eveneens gemeten. Daarnaast helpen de satellietgegevens bij het in kaart brengen van de toestand van de vegetatie en bij het signaleren van eventuele vulkaanuitbarstingen. Ook de oceaan is geregeld in beeld. De satelliet meet zeewatertemperatuur, bepaalt windrichting en –snelheid nabij het zee-oppervlak en legt de kleur van de oceaan vast. De kleur van de oceaan hangt onder andere af van de hoeveelheid fytoplankton en is daarmee een maat voor de 'gezondheid' van de oceaan. Op verschillende niceaus in de atmosfeer bepalen de satellieten de temperatuur en vochtigheid. Tevens worden de karakteristieken van stofdeeltjes in de atmosfeer, het zogeheten aerosol, en van bewolking onderzocht met meetgegevens van afkomstig van de MODIS. Datzelfde geldt voor de stralingshuishouding van de atmosfeer en voor neerslag. Tenslotte wordt ook de sneeuwbedekking en de aanwezigheid van zee-ijs met behulp van de MODIS gemeten en bestudeerd.

Satelietbeelden
Meetgegevens van de satellieten worden veelal gepresenteerd als beeld. De 'gewone' zichtbaarlichtbeelden in ware kleuren zijn in feite een bewerking van stralingsmetingen in drie kanalen van de MODIS. Voor andersoortige beelden wordt informatie gebruikt van verschillende tijdstippen, van verschillende MODIS-kanalen of van de andere instrumenten op de Terra en de Aqua.
De stofstorm op figuur 1 werd vastgelegd met meetgegevens van de MODIS op de Aqua, ingewonnen tijdens opeenvolgende overkomsten. De tijd tussen twee banen bedraagt ongeveer 90 minuten; het rechterdeel van het satellietbeeld werd het eerst gescand. Duidelijk is te zien dat sommige delen van het aardoppervlak niet in beeld komen. Het beeld heeft betrekking op 6 maart 2004, toen er boven Midden-Afrika een omvangrijke stofstorm woedde; ook boven het aangrenzend deel van de Atlantische Oceaan bevindt zich stof.
Figuur 2 toont een andere toepassing van MODIS-data. Ditmaal is de temperatuur van het landoppervlak in beeld gebracht; de informatie is beschikbaar in een resolutie van 250 m. Het satellietbeeld van de Aqua toont Pakistan en delen van een aantal omliggende landen op 21 mei 2004. Op dat moment werd de regio geteisterd door een hittegolf met luchttemperaturen tot 47 graden. De temperatuur van het land ligt gewoonlijk wat hoger; rond de Indus, de rivier die als een heldere rode lijn van noord naar zuid door het beeld loopt, bedraagt de temperatuur van het aardoppervlak 67 graden. Op grotere hoogte is het uiteraard minder heet. Bovenin rechts bevindt zich het Himalaya-gebergte met in blauw koude, door sneeuw bedekte toppen.
Met MODIS-gegevens worden eveneens zeewatertemperaturen in kaart gebracht, ditmaal met een resolutie van 1 km. Figuur 3 toont de zeewatertemperatuur van de Golf van Mexico en de Caribische Zee op 10 december 2003 op basis van Aqua-data. Blauw is koud, rood is warm en in de zwarte gebieden ontbreken meetgegevens door aanwezigheid van bewolking; ook het land is zwart weergegeven. Het water in de Caribische Zee is warm, ongeveer 25 graden, terwijl het water in het noordwesten van de Golf van Mexico aanzienlijk koeler is: rond 20 graden.
Een derde toepassing van MODIS-temperatuurgegevens is afgebeeld als figuur 4, afkomstig van de Terra. Hier wordt de temperatuur van het landoppervlak in Europa gemiddeld over de maand juli 2003 vergeleken met die van de maand juli 2001. In de witte gebieden lagen de temperaturen op hetzelfde niveau, in de blauwe gebieden was het in 2003 kouder en in de rode gebieden warmer. Tijdens de hittegolf van 2004 bedroeg het temperatuurverschil in het zuiden en het oosten van Frankrijk maar liefst 10 graden. Ook in delen van de Alpen was het een stuk warmer. Bij ons viel het eigenlijk allemaal nog wel mee, al zullen velen zich de zomer van 2003 blijven herinneren als een warme en droge zomer. In het zuiden van Engeland, in Wales en in Schotland was het ook warm; de hittegolf liet in juli 2003 volgens de figuur echter grote delen van Engeland en Ierland ongemoeid.


Figuur 7. Gemiddelde temperatuur over de maand april 2003 van het landoppervlak en de bewolking daarboven. Instrument: AIRS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA.

Andere instrumenten
De overige afbeeldingen zijn gebaseerd op metingen van andere instrumenten. Figuur 5 bijvoorbeeld toont de dikte van het sneeuwdek op 7 december 2002, ontleend aan metingen van Aqua's AMSR-E. De afkorting staat voor Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS; EOS staat op zijn beurt weer voor Earth Observation System, de naam van het programma waarvan de Aqua en de Terra deel uitmaken. De schattingen van de sneeuwdiepte met de AMSR-E–data zijn nauwkeuriger dan die van voorgaande instrumenten.
Met de AMSR-E kunnen ook zeewatertemperaturen worden bepaald. Zo geeft figuur 6 de zeewatertemperatuur op 1 mei 2003. Zee-ijs is wit, land is grijs. De temperaturen lopen uiteen van –2 (donker groen) tot +35 graden Celcius (geel); groen is in deze weergave dus kouder dan blauw en geel warmer dan rood. De rode streep in de buurt van de evenaar op het oostelijk deel van de Grote Oceaan duidt daardoor op relatief lage zeewatertemperaturen in dat gebied, een situatie die tegengesteld is aan wat we tijdens een El-Niño verwachten aan te treffen.
Figuur 7 tenslotte geeft een bewerking van de metingen van de Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) op de Aqua. Weergegeven is de gemiddelde temperatuur van het landoppervlak, het zeeoppervlak of de bewolking daarboven over april 2003. De schaal loopt van min 80 graden (blauw) tot plus 47 graden (rood). Duidelijk is in geel langs de evenaar de zogeheten intertropische convergentiezone zichtbaar. In dit gebied ontmoet de noordoostpassaat van het noordelijk halfrond de zuidoostpassaat van het zuidelijk halfrond. In de opstijgende bewegingen die daardoor worden aangejaagd, ontwikkelen zich voortdurend onweersbuien, waarvan de toppen aanzienlijk kouder zijn dan het aardoppervlak, wat doorwerkt in de maandgemiddelde temperatuur. Het temperatuurverschil tussen het gloeiend hete Saharazand en het door uitstraling sterk afgekoelde sneeuw- en ijsdek van Antarctica bedraagt meer dan 100 graden. De lagere temperaturen boven het noorden van Europa en van Azië worden hoofdzakelijk veroorzaakt doordat het daar vaker bewolkt was.
In het voorgaande zagen we dat er met de satellietdata van de Terra en Aqua veel meer mogelijk is dan het eens per dag leveren van een momentopname van de aarde. In veel gevallen blijkt het mogelijk de informatiestromen zo te kanaliseren, dat kleurrijke afbeeldingen ontstaan, zoals de hierbij afgedrukte voorbeelden illustreren..

Voetnoot:
*) Zie voor MODIS-beelden de artikelen van de auteur in Zenit 2003 nrs 2, 5, 6, 7/8, 10 en 11 en Zenit 2004 nrs 2, 3, 5 (voorpagina), 7/8, 9, 10.