Kees Floor, Zenit februari 2007
Nieuwe toepassing infraroodbeelden
Kees Floor, Zenit februari 2007
Meteorologen beschikken al meer dan veertig jaar over infraroodbeelden. In het begin werden ze alleen gebruikt als wolkenfoto's. Tegenwoordig is het aantal gebruiksmogelijkheden veel ruimer. Onlangs kwam er nog een nieuwe toepassing bij: het monitoren van de afname van het tropisch regenwoud en de toename van landbouwgronden.
Sinds april 1960 draaien er satellieten rond de aarde die uitsluitend dienen voor de weersvoorspelling of het meteorologisch, natuurkundig en scheikundig onderzoek van de aarde, de oceanen en de dampkring. Aanvankelijk zonden de kunstmanen alleen televisiebeelden naar de aarde, maar in augustus 1964 kwamen ook infraroodbeelden beschikbaar. Op deze beelden zie je de aarde als door een nachtkijker. Ze zijn terug te voeren op de warmtestraling die alle voorwerpen, dus ook het aardoppervlak en de mist of bewolking daarboven, uitzenden.
 |
 |
 |
| 1. Nachtelijk infraroodbeeld van het Noordzeegebied in de winter. Het zeewater is het warmst en het donkerst. Het land is kouder en is daardoor lichter van tint. Sneeuw op de grond koelt sneller af dan de sneeuwvrije bodem. Het wit van de sneeuw boven onder andere Noord-Duitsland en Denemarken steekt daardoor licht af tegen de tint van de bodem in Nederland en België. De besneeuwde toppen van de Alpen liggen hoger en zijn daardoor nog weer kouder en dus witter dan de eerder genoemde gebieden met sneeuw. Ook voor bewolking geldt dat de tint witter is naarmate de bewolking kouder is, dus naarmate de wolkentoppen zich hoger in de atmosfeer bevinden. Datum: 12 maart 2006, 21.30 UTC. Bron: NOAA/DLR. |
|
|
Warmtestraling
De hoeveelheid uitgezonden en door de satelliet ontvangen warmtestraling hangt
af van de temperatuur van het voorwerp. Warme voorwerpen zenden veel warmtestraling
uit. Op de oorspronkelijke satellietbeelden in zwart-wit werd dat weergegeven
in zwart of andere donkere tinten. Koude voorwerpen zenden minder warmtestraling
uit en krijgen lichte tinten op de satellietbeelden. Doordat de top van bewolking
doorgaans kouder is dan het aardoppervlak, is bewolking op dergelijke infraroodbeelden
goed zichtbaar; ze steekt namelijk licht af tegen de donkere achtergrond van het
onderliggende land- of zeeoppervlak (figuur 1). Op zogeheten zichtbaarlichtbeelden,
vergelijkbaar met 'gewone' foto's, is dat eveneens het geval, wat de interpretatie
van de beelden vergemakkelijkt en onderlinge vergelijking mogelijk maakt tussen
de weersverschijnselen en bewolkingspatronen op de verschillende soorten beelden.
Op infraroodbeelden is het hele jaar door van alles te zien. In het voorjaar heeft
het zeewater overdag meestal een lichtere tint dan het landoppervlak; de zee is
in die tijd van het jaar namelijk kouder dan het land. In een koude winterperiode
(figuur 1) is het warme zeewater donker, terwijl vooral 's nachts het koude land
lichtere grijstinten aanneemt. Het IJsselmeer is 's winters doorgaans grijzer
dan de Noordzee omdat het IJsselmeerwater sneller afkoelt; op het satellietbeeld
van figuur 1 is dat overigens niet duidelijk het geval. Een sneeuwdek koelt sterker
af dan een sneeuwvrije bodem; het besneeuwde land van Denemarken en Noord-Duitsland
heeft daardoor een lichtere tint dan de gebieden zonder sneeuw. De besneeuwde
toppen van de Alpen liggen hoger en zijn daardoor nog weer kouder en dus witter
dan de eerder genoemde gebieden met sneeuw.
Temperatuurkaarten
Het exacte verband tussen de hoeveelheid uitgezonden warmtestraling en de bijbehorende
temperatuur is bekend uit de natuurkunde. Daardoor kun je een infraroodbeeld ook
opvatten als een temperatuurkaart van het aardoppervlak en de bewolking erboven.
Met de huidige generatie satellieten zijn die temperaturen vrij nauwkeurig te
bepalen. Verder zijn de presentatiemogelijkheden van de satellietbeelden sterk
verbeterd ten opzichte van de beginperiode van de satellietmeteorologie. Keuze
van een geschikte kleurentabel, waarbij aan elk temperatuurgebied een bepaalde
kleur wordt toegekend, leidt tot ook esthetisch aantrekkelijke resultaten, zoals
het satellietbeeld van Spanje tijdens een hittegolf op 1 juli 2004 duidelijk aantoont
(figuur 2). Het landoppervlak heeft plaatselijk een temperatuur van 59 graden.
Vooral aan de noordkant van de Pyreneeën zit bewolking, die een lagere temperatuur
heeft dan het aardoppervlak. Volgens persberichten bedroeg de temperatuur op de
standaardwaarnemingshoogte van 1,5 meter op enkele waarneemstations meer dan 40
graden. Het massaal gebruik van airconditioning leidde tot een grote vraag naar
elektriciteit, wat de centrales niet overal konden bolwerken.
Temperatuurbewerkingen
De beelden van de figuren 1 en 2 zijn een weerslag van de temperatuur van het
aardoppervlak op een bepaald moment. Door gegevens van verscheidene opeenvolgende
metingen samen te nemen, kan andersoortige informatie worden verkregen. Zo bepaalt
het KNMI al jarenlang de temperatuur van het water van de Noordzee en het IJsselmeer
uit infraroodmetingen. Eerst leverden de Amerikaanse NOAA-satellieten, die enkele
malen per dag overkomen, hiervoor de meetgegevens; tegenwoordig doen dat de Europese
METEOSAT's, die op een vast punt boven de evenaar staan. De KNMI-beelden geven
de gemiddelde temperatuur van het zeewater gedurende een week. Figuur 3 toont
een vergelijkbaar satellietbeeld; we zien eveneens zeewatertemperaturen. In dit
geval is de middeling uitgevoerd over de hele maand oktober 2006. Het MODIS-instrument
op de Amerikaanse satelliet Terra leverde de meetgegevens. De figuur toont, net
als alle andere op satellietmetingen gebaseerde zeewatertemperatuurkaarten, de
temperatuur van de bovenste millimeter van zeeën en oceanen.
In de figuren
4 en 5 worden oppervlaktetemperaturen vergeleken met het langjarig gemiddelde.
Langjarig betekent in het geval van waarnemingen door de Terra overigens hooguit
zes jaar; de Terra werd namelijk gelanceerd op 18 december 1999. De kwaliteit
van de temperatuurwaarnemingen van het aardoppervlak die het MODIS-instrument
op de Terra levert, is aanzienlijk beter dan die van het AVHRR-instrument op de
NOAA weersatellieten, zodat het langjariger maken van het tijdvak waarvan men
gegevens gebruikt, niet voor de hand ligt.
 |
 |  |
| 5. Oppervlaktetemperatuur in de periode 20-27 juli 2006, vergeleken met de gemiddelde oppervlaktetemperaturen in die periode over de zes voorgaande jaren 200-2005. Nederland en verscheidene andere landen in Europa worden getroffen door een hittegolf. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA. | 6. Temperatuurkaart met de hoogste temperatuur van het aardoppervlak in de periode 2003, 2004 en 2005. De temperaturen zijn gebaseerd op metingen van het MODIS-instrument op de Amerikaanse satelliet Aqua. Deze komt elke dag rond 13.30 uur plaatselijke zonnetijd over. Het warmst zijn de dorre zandwoestijnen, zoals in Australië, Iran en de Sahara. Bron: zie literatuur. |
Winter en
zomer
Figuur 4 toont het verschil tussen de wintertemperaturen in de periode
van 1 tot 24 januari 2006 en het gemiddelde over de periode voor de jaren 2001
tot en met 2005. De informatie waarop de figuur is gebaseerd, komt weer van de
Terra. In de gebieden met het donkerste blauw lag de temperatuur 10 graden onder
het gemiddelde van de vijf voorgaande jaren; rode tinten duiden op bovengemiddelde
waarden van de temperatuur.
De figuur geeft direct een beeld van de winter
op het noordelijk halfrond: zacht in Amerika, koud in Europa en Azië. De
temperatuur zakte in Moskou naar een niveau dat sinds het eind van de jaren twintig
in de vorige eeuw niet meer was bereikt.
Eenzelfde procedure als bij figuur
4 is toegepast bij het maken van figuur 5. De temperatuur is gemeten in de periode
van 20 tot 27 juli 2006; het langjarig gemiddelde is bepaald uit de zes voorgaande
jaren. De figuur toont de hittegolf in Europa van dat moment. In de donkerrode
gebieden boven Nederland, Duitsland, Frankrijk, Polen en Noorwegen is het aardoppervlak
minstens 10 graden warmer dan 'normaal'.
Landgebruik
Uit het
voorgaande blijkt dat infraroodmetingen door satellieten niet alleen een schat
aan informatie opleveren over bewolking, maar ook over temperaturen van het landoppervlak
en de bovenste millimeter van de oceaan. Onlangs werd duidelijk dat er nog meer
toepassingen mogelijk zijn, zoals het monitoren van het landgebruik op aarde.
Uitgangspunt is weer een temperatuurkaart, zoals we er al verscheidene hebben
bekeken en besproken. Ditmaal is de hoogste temperatuur uitgezet die optrad in
de jaren 2003, 2004 en 2005 (figuur 6). De meetgegevens zijn afkomstig van de
Aqua, de jongere zustersatelliet van de Terra. De Aqua komt over rond 13.30 uur
plaatselijke tijd, niet ver van het tijdstip waarop de maximumtemperatuur wordt
bereikt. De Terra passeert eerder op de dag en is daardoor minder geschikt voor
het inschatten van de hoogste temperatuur op een dag.
Op de kaart van figuur
6 is te zien dat de Sahara en andere droge, dorre zandwoestijnen het heetst zijn.
In 2003 trad de hoogste temperatuur op in Queensland, Australië. Het werd
er 69,3 graden. Twee jaar later werd in de woestijn L?t in Iran een temperatuur
gemeten van maar liefst 70,7 graden.
Verdamping
Buiten de woestijngebieden
komen dergelijke hoge maximumtemperaturen niet voor. De temperatuur ligt in de
tropische regenwouden van Afrika en de Amazone beduidend lager en datzelfde geldt
voor de rijstvelden in Zuidoost-Azië. Dat komt doordat in gebieden met vegetatie
verdamping optreedt, wat het al te ver oplopen van de temperatuur tegenwerkt.
De verdamping is sterker, en de temperatuur daardoor lager, boven het tropisch
regenwoud dan op akkers, rijstvelden en andere cultuurgrond. Doordat het regenwoud
diep geworteld is, gaat de verdamping ook in perioden van droogte gewoon door.
De maximumtemperatuur, bepaald over een heel jaar, ligt er daardoor meestal rond
30 graden en blijft er altijd ruimschoots onder de 40 graden. Als er regenwoud
wordt gekapt of afgebrand om plaats te maken voor cultuurgrond, dan is dat dus
af te lezen uit een stijging van de hoogste temperatuur die over de periode van
een jaar wordt gemeten. De verdamping boven de vegetatie van de cultuurgrond is
namelijk minder dan bij het tropisch regenwoud; bovendien reiken de wortels minder
diep, zodat de verdamping tijdens droge perioden helemaal wegvalt zodra er geen
vocht meer beschikbaar is. Temperaturen van 40 graden of meer behoren dan tot
de mogelijkheden.
Een vergelijkbare redenering geldt bij het voor landbouwdoeleinden
in gebruik nemen van grond. Voor succesvolle landbouw is irrigatie nodig. Daardoor
neemt de verdamping in zo'n in cultuur gebracht gebied toe ten opzichte van de
daaraan voorafgaande situatie. Dat leidt vervolgens tot lagere jaarmaximumtemperaturen
dan daarvoor. Door dit type kaarten op jaarbasis onderling te vergelijken. kan
dus de mate van ontbossing worden bepaald, evenals de toename van de omvang van
de gronden die in gebruik zijn genomen voor voedselproductie.
Literatuur:
Mildrexler, D.J., Zhao, M., & Running, S.W., Where
Are the Hottest Spots on Earth?, EOS 87 (43), p. 461 en 467, 24 oktober 2006.