Kees Floor, Zenit juni 2010.

De Frans-Amerikaanse CALIPSO-satelliet levert sinds 7 juni 2006 gegevens waarmee dwarsdoorsneden gemaakt kunnen worden van de atmosfeer. Daarop zijn niet alleen gewone wolkenlagen te zien, maar ook stofwolken, aswolken, rookdeeltjes van natuurbranden en andere zogeheten aerosolen. We tonen hier een paar hoogtepunten uit de afgelopen vijf jaar.

Om zich een beeld te vormen van het actuele weer werken meteorologen als sinds het begin van de vorige eeuw met weerkaarten. Hierop werden onder andere bewolking, neerslaggebieden en diverse waarden van meteorologische grootheden aangegeven, zodat een praktisch bruikbaar overzicht ontstond van de weersituatie. Het weer kon als het ware van bovenaf worden bekeken, ook al werden alle waarnemingen verricht vanaf het aardoppervlak.
Gaandeweg bleek er behoefte aan meer informatie dan uitsluitend een bovenaanzicht. Mede door de opkomst van de luchtvaart en voortschrijdend inzicht in de manier waarop het weer wordt beïnvloed en gestuurd door de situatie in de hogere luchtlagen, was er behoefte aan gegevens op een hoogte van enkele kilometers. Na incidentele metingen met vliegers of vanuit ballonnen, kwam in de jaren dertig de radiosonde, die gegevens leverde over de luchtdruk, de hoogte, de temperatuur, de luchtvochtigheid en de wind. Toen het aantal radiosondestations groeide, kon men dwarsdoorsneden door de atmosfeer maken. Daarop was precies te zien waar bewolking zat, waar zich neerslag kon vormen en waar bijvoorbeeld voor vliegtuigen het gevaar bestond van ijsaanzetting.

Satellieten
Sinds de jaren 70 en 80 van de vorige eeuw zijn we voor een bovenaanzicht van het weer niet langer uitsluitend aangewezen op traditionele weerwaarnemingen. Satellieten leverden op foto's lijkende beelden van het aardoppervlak en de bewolking daarboven in met de jaren toenemende resolutie en kwaliteit. In één oogopslag geven ze een overzicht van de weersituatie in het door de instrumenten op het satellietplatform gescande gebied. Andere instrumenten maakten het grofweg mogelijk temperatuur- en vochtprofielen van de atmosfeer te meten. Toch blijft er ook in het satelliettijdperk behoefte aan dwarsdoorsneden van de atmosfeer, waarop de waterdruppeltjes van bewolking en eventuele andere in de atmosfeer rondzwevende deeltjes duidelijk teruggevonden kunnen worden. Inmiddels is er een satelliet die dergelijke dwarsdoorsneden kan leveren: de CALIPSO.

1. Dwarsdoorsnede door de onderste dertig kilometer van de atmosfeer. Links: Japan, rechts: Australië. Datum 7 juni 2006, de eerste dag waarop dergelijke dwarsdoorsneden van de CALIOP op de Frans-Amerikaanse CALIPSO-satelliet beschikbaar kwamen. Het beeld toont het aardoppervlak, bewolking en midden boven uitstoot van de vulkaan Soufrire Hills op Montserrat, die na verloop van tijd terecht gekomen was boven Indonesië. (Bron: NASA/LaRS).
	3b. Dwarsdoorsnede door de onderste tien kilometer van de atmosfeer boven de Atlantische Oceaan ten westen van Ierland. Datum: 16 mei 2010. In de figuur is op ongeveer 5 kilometer hoogte de vulkanische as zichtbaar die eerder werd uitgestoten door de IJslandse vulkaan Eyjafjallajökull. (Bron: NASA Earth Observatory).	2. Satellietbeelden van hurricane Bill, op weg naar Cuba. Datum: 19 augustus 2009. Het zichtbaarlichtbeeld van de orkaan in natuurlijke kleuren (MODIS-image) is gebaseerd op MODIS-data; de CALIOP op de CALIPSO leverde de gegevens voor de dwarsdoorsnede (profile) tot een hoogte (altitude) van 25 kilometer van de atmosfeer. Stomtoevallig trok de CALIPSO die dag - en ook nog eens drie dagen later - precies over het oog van Bill. (Bron: NASA/LaRS, Patrick Lynch).

CALIPSO
De Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations satelliet (CALIPSO) werd op 28 april 2006 vanaf de luchtmachtbasis Vandenberg in Californië in een baan op 705 kilometer hoogte rond de aarde gebracht. Op dit satellietplatform is onder andere een LIDAR, de Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP), geplaatst, die zelf korte pulsen groen en infrarood laserlicht naar de aarde zendt en vervolgens meet hoeveel daarvan weer terugkomt bij de satelliet. Het instrument is dus niet afhankelijk van de beschikbaarheid van zonlicht en kan daardoor dag en nacht informatie leveren. De sterkte van het teruggekaatste signaal geeft informatie over aanwezige lagen met bewolking en met vulkanische as, rook, zeezoutdeeltjes, woestijnstof of andere aerosolen. Uit de tijd die de lichtpuls nodig heeft om de afstand naar het gemeten object 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, zoals weergegeven in bijgaande figuren.
Atmosfeeronderzoekers willen de CALIOP-gegevens gebruiken om te zien hoe bewolking en aerosolen zich vormen en ontwikkelen, welke wisselwerkingen er optreden en wat hun rol is bij luchtkwaliteit, weer en klimaat.

Bewolking
CALIPSO kwam operationeel volledig in bedrijf op 7 juni 2006 en zendt nu dus al weer vijf jaar zijn informatie naar de grondstations. Figuur 1 toont een van de eerste dwarsdoorsneden die beschikbaar kwamen. Het gedeelte van de atmosfeer dat zichtbaar is, loopt van Japan (links) via Indonesië naar Australië. De positie van het aardoppervlak is terug te vinden als roze lijn; bij Australië liggen het aardoppervlak - en dus die roze lijn - wat hoger dan elders in de figuur. Oranje en rode tinten in de buurt van het aardoppervlak duiden op een enkele kilometers dikke laag met aerosolen: stof, rook of andere vormen van luchtverontreiniging. Waar de atmosfeer geel-groen of blauw is, vindt verstrooiing plaats aan luchtmoleculen. Bewolking is te herkennen aan heldere roze en witte tinten. De meeste bewolking is zo dicht dat het LIDAR-signaal er niet doorheen kan komen; in dat geval heeft het gebied waaruit geen informatie beschikbaar is een donkerblauwe tint. De ijlere sluierbewolking op 12 tot 15 kilometer hoogte is groen-blauw; ze vormt geen belemmering voor het waarnemen van de atmosfeer eronder.

Hurricanes
In de atmosfeer komen verscheidene weersystemen voor met karakteristieke wolkenpatronen. Een bekend voorbeeld daarvan vormen de tropische cyclonen. Ze zijn gevreesd doordat ze als hurricane, cycloon of tyfoon dood en verderf zaaien met winden van orkaankracht, overvloedige regenval uit stortbuien en hoog opgezwiept oceaanwater, dat ver het land kan binnendringen. In bovenaanzicht is er op 'gewone' satellietbeelden, die een deel van het aardoppervlak laten zien, vaak een oog zichtbaar, waarin geen of vrijwel geen bewolking voorkomt. Daaromheen bevindt zich een 'muur' van bewolking, gevormd door hevige onweersbuien. Bovenin spiraliseert de bewolking naar buiten toe uit.
De dwarsdoorsneden die de CALIPSO levert, geven de situatie langs een lijn over het aardoppervlak. De kans dat zo'n dwarsdoorsnede precies door het oog van een tropische cycloon loopt, is daardoor niet zo groot. Toch is dat in de vijf jaar dat de satelliet actief is, bij ten minste een hurricane voorgekomen. De meetresultaten zijn weergegeven in figuur 2; de CALIOP ziet vooral de hoge sluierbewolking van de tropische cycloon. Op een ondergrond die de geografie van het Caribisch gebied toont, is een op MODIS-data gebaseerd bovenaanzicht in natuurlijke kleuren van hurricane Bill geplaatst van 19 augustus 2009; Bill zette op dat moment koers naar Cuba. Daaroverheen is de dwarsdoorsnede geplaatst van CALIOP -metingen. Duidelijk is te zien dat de CALIPSO over het oog van de orkaan trok. Rond het oog zit de bewolking het hoogst, rond 15 kilometer. Van het gebied onder die bewolking wordt geen lidarsignaal terugontvangen. De CALIOP kan wel in het oog kijken; het blijkt in dit geval niet helemaal wolkenvrij.
Door een toevallige samenloop van omstandigheden trok de CALIPSO drie dagen later nogmaals over het oog van Bill (niet afgebeeld).

Uitstoot van vulkanen
De LIDAR-metingen van de CALIOP tonen niet alleen de water- en ijsdeeltjes van bewolking. Ook andere deeltjes, zogeheten aerosolen, zijn zichtbaar op de dwarsdoorsneden.
Dat is bijvoorbeeld het geval in de onderste laag van de atmosfeer boven Australië in figuur 1, zoals eerder werd opgemerkt. De aerosolen zweven overigens niet alleen in de buurt van het aardoppervlak. Zo komen bij vulkaanuitbarstingen vaak deeltjes vulkanische as vrij, die door het explosieve geweld terecht komen op grotere hoogten in de atmosfeer en zich daar verder verplaatsen met de heersende luchtstromingen. Ook hiervan bevat figuur 1 een voorbeeld. De pluim met door een vulkaan uitgestoten deeltjes en gassen bevindt zich hoger dan de bewolking in het midden van de figuur. De as is afkomstig van de vulkaan Soufriere Hills op het eiland Montserrat in het Caribisch gebied. Bij een uitbarsting op 20 mei 2006 werd de as tot 17 kilometer hoog de atmosfeer in geblazen. Tegelijkertijd kwam er ook een wolk zwaveldioxide vrij, die enkele weken kon worden gevolgd door het Nederlands-Finse Ozone Monitoring Instrument (OMI) op de Amerikaanse satelliet Aura. Op 6 en 8 juni nam OMI de zwaveldioxidewolk waar boven Indonesië; de CALIOP registreerde in hetzelfde gebied de uitstoot van de vulkaan op de ertussenin gelegen dag. Het signaal wijst meer op kleine zwavelzuurdruppeltjes in de wolk dan op de harde asdeeltjes.
De uitstoot van de IJslandse vulkaan Eyjafjallajökull, die uitbarstte in april en mei 2010 en die veel overlast veroorzaakte voor het vliegverkeer boven Europa en de Atlantische Oceaan, bevatte wél veel asdeeltjes. De CALIOP nam ze onder andere waar boven Frankrijk op 19 april 2010 (figuur 3a) en boven de Atlantische Oceaan ten noorden van Ierland op 16 mei 2010 (figuur 3b). De as zat op 16 mei op 4 tot 6 kilometer hoogte, veel hoger dan de bewolking eronder, die reikte tot ongeveer 2 kilometer hoogte.

3a. 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.	4. Boven Nigeria, links in de figuur, en boven het aangrenzend oceaangebied bevindt zich op 3 tot 4 kilometer hoogte een dikke laag met aerosolen, afkomstig van branden boven land. Daaronder bevindt zich op ongeveer 1500 meter een dunne laag bewolking. Boven land zit ook hoge bewolking op 10 tot 14 kilometer hoogte. Datum: 13 augustus 2006. (Bron: University of Washington en NASA/LaRC).

Rook van branden.
Ieder moment woeden er ergens op aarde wel branden. Veel daarvan zijn aangestoken, bijvoorbeeld voor het in gebruik nemen of houden van landbouwgronden of voor het opjagen van wild. Zo gaan in Afrika duizenden mensen elk jaar weer de savanne in met aanstekers en fakkels om het droge gras in lichterlaaie te zetten. Boeren die voedsel verbouwen of vee hoeden, steken vuren aan om dode vegetatie op te ruimen. Bij de branden komen de voedingsstoffen weer in de bodem terecht. Op deze manier maken ze het land gereed voor het komende groeiseizoen van groenten en grasland. Tegelijkertijd komen echter grote hoeveelheden rook- en roetdeeltjes in de atmosfeer terecht, met alle gevolgen van dien voor luchtkwaliteit, weer en klimaat. De verbrandingsproducten blijven niet altijd steken in de luchtlaag bij het aardoppervlak, maar kunnen ook opstijgen en gaan rondzweven op enkele kilometers hoogte. Dat was volgens CALIOP-metingen bijvoorbeeld het geval bij Afrika op 13 augustus 2006 (figuur 4). De dwarsdoorsnede loopt van het aardoppervlak tot 30 kilometer hoogte. De bewolking links in de figuur op 10 tot 14 kilometer hoog bevindt zich nog boven het vasteland van Nigeria. De verbrandingsproducten zweven meest op 3 of 4 kilometer hoogte. Ook onder de bewolking bevindt zich een heiige laag met aerosolen, maar op plaatsen waar de LIDAR niet door de bewolking heen kan kijken, is deze is in de figuur uiteraard niet weergegeven.
Rook van natuurbranden kan nog wel hoger komen dan in de situatie van figuur 4. Vaker dan vroeger werd gedacht bereikt deze namelijk de stratosfeer, soms zelfs tot bijna 20 kilometer hoogte. Sinds een jaar of tien weten we dat dit geregeld gebeurt als omvangrijke, hevige natuurbranden een soort vuurgedreven buiencomplexen genereren, die de rook van dicht bij het aardoppervlak tot onder in de stratosfeer kunnen brengen. Zo zweefde er rook van de natuurbranden van vorig jaar in Rusland op ongeveer 14 kilometer hoogte (zie Zenit december 2010). Een jaar eerder kwam rook van bushbranden in Australië boven de Grote Oceaan zelfs tot bijna 20 kilometer hoogte (figuur 5). De rookdeeltjes zijn meestal kleiner dan de wolkendruppeltjes en de ijskristallen in de bewolking. Daardoor kan de CALIOP de verschillende soorten deeltjes goed van elkaar onderscheiden. De rook kan grote afstanden afleggen. In de figuur is aangegeven waar de branden woedden en waar de CALIPSO over de inmiddels afgedreven rookwolk trok.

5. Dwarsdoorsnede (data profile) door de onderste 20 kilometer van de atmosfeer boven de Grote Oceaan tussen Australië (linksonder) en Zuid-Amerika (rechtsboven) met onder andere de rook (smoke) van natuurbranden (fires) in Australië, die tot een ongebruikelijk grote hoogte van bijna 20 kilometer is gekomen. Ook is er bewolking (clouds) zichtbaar. Datum: 10 februari 2009. Instrument: CALIOP. Satelliet: CALIPSO. (Bron: Chieko Kittaka, NASA's LaRC).	6. Saharastof op weg van Afrika naar Amerika, april 2006. De verplaatsing van het stof was goed te volgen op dwarsdoorsneden van de onderste 5 kilometer van de atmosfeer op opeenvolgende dagen. De weg die het stof heeft gevolgd, is aangegeven met rode lijnen. (Bron: CNES).	7. Dwarsdoorsnede van de onderste 30 kilometer van de atmosfeer boven het zeegebied tussen Groenland en IJsland. Polaire stratosfeerwolken zweven op een recordhoogte van ruim 30 kilometer. Datum: 4 januari 2011. Instrument: CALIOP. Satelliet: CALIPSO. (Bron: NASA/ CNES).

Woestijnstof
Grote woestijnen zoals de Sahara in Noord-Afrika of de Taklimakan- en de Gobi-woestijnen in China, fungeren vaak als een schier onuitputtelijke bron van stof en zand in de atmosfeer. De door de wind meegevoerde stofwolken kunnen lange afstanden afleggen en zelfs oceanen oversteken. Zo wordt stof uit China soms aangetroffen in het westen van de Verenigde Staten; saharastof kan doordringen tot in het Caribisch gebied. De deeltjes van de zand- en stofwolken kunnen net als andere aerosolen gedetecteerd worden door de CALIOP en zijn daardoor soms terug te vinden in dwarsdoorsneden van de atmosfeer. Zo kon het stof van zandstormen in de Sahara in augustus 2006 door Franse onderzoekers van het CNES gevolgd worden tot in het Caribisch gebied (figuur 6). De figuur toont voor een aantal opeenvolgende dagen saharastof in de dwarsdoorsneden door de onderste vijf kilometer van de atmosfeer boven de Atlantische Oceaan.

Polaire stratosfeerwolken
De lucht in de stratosfeer is meestal te droog om er wolkenvorming toe te laten. Alleen in zeer zeldzame gevallen, als het daar erg koud is of er door bergen opgewekte golfbewegingen optreden die condensatie in de hand werken, doet er zich zeer ijle bewolking voor. Zo'n situatie trad onder andere op boven het zeegebied tussen IJsland en Groenland op 4 januari 2011. De CALIOP kon het verschijnsel duidelijk vastleggen, zoals figuur 8 laat zien. Polaire stratosfeerwolken waren in de data van CALIOP wel eerder waargenomen, maar nooit eerder zat de bewolking zo hoog als in dit geval: ruim 30 kilometer.

Samenvatting
In de afgelopen vijf jaar leverde de CALIPSO talrijke dwarsdoorsneden door de atmosfeer. Daarop waren wolken te zien en deeltjes, zogeheten aersosolen. Tot de verschijnselen die daarbij op een geheel nieuwe manier vanuit de ruimte in beeld kon worden gebracht, behoren tropische cyclonen, aspluimen van vulkanen, stofstormen, rookwolken van natuurbranden en polaire stratosfeerwolken.