Kees Floor, Zenit april 2012

Sinds 28 oktober vorig jaar cirkelt er een nieuw instrument voor onder meer het maken van satellietbeelden rond de aarde. De eerste beelden die in de maanden daarna beschikbaar kwamen, laten zien dat de apparatuur goed werkt.

Het instrument waar het om gaat, is de VIIRS (zie tabel 1) op de Amerikaanse Suomi NPP satelliet. De VIIRS kan worden beschouwd als de opvolger van de AVHRR op de polaire weersatellieten van NOAA en de OLS op de satellieten van het militaire DMSP-programma. Gezien de producten die de VIIRS levert, ligt ook een vergelijking voor de hand met de SeaWiFS op de Seastar en de MODIS op NASA's satellieten Terra en Aqua (lit. 1 en 2), waarvan in eerdere nummers van Zenit geregeld beelden zijn geplaatst.
De beoogde levensduur van de VIIRS is ongeveer 5 jaar; daarna moeten satellieten en instrumenten van NOAA's JPSS, waarvan de lancering gepland is in 2015, de taken overnemen.

Satellietbaan
De Suomi NPP satelliet bevindt zich op een hoogte van 824 kilometer, dat is iets lager dan de satellieten van NOAA en DMSP, maar hoger dan de 705 kilometer van de Terra en de Aqua (vergelijk Tabel 2). De satelliet volgt met een snelheid van 8 meter per seconde een cirkelbaan met een vaste positie in de ruimte. Doordat de aarde draait, komt er bij elke omloop een volgend deel van het aardoppervlak in beeld.
De stroken waarover de VIIRS het aardoppervlak en de bewolking daarboven aftast, zijn 3000 kilometer breed. Per dag komen 14 stroken beschikbaar (vergelijk figuur 1), die elkaar gedeeltelijk overlappen (zie figuur 2 rechtsonder). Daardoor is er dagelijks van elk punt op aarde informatie beschikbaar. De waarnemingsstroken van de MODIS-beelden van bijvoorbeeld de Terra liggen vooral in de tropen en subtropen wat uit elkaar, zodat de dekking daar niet altijd volledig is (zie lit. 1 en 2) (afbeelding). De ontbrekende informatie kan soms aangevuld worden met gegevens van het identieke instrument op de Aqua, maar niet altijd. Om bij de VIIRS de betere dekking te krijgen, kwam men wel uit op een lagere resolutie; deze bedraagt 375 meter, terwijl de MODIS beelden levert met een resolutie tot 250 meter.

Fig. 1: satellietbeeld in natuurlijke kleuren van de aarde op 24 november 2011, de eerste dag dat de VIIRS op de kort daarvoor gelanceerde Amerikaanse satelliet Suomi NPP van alle punten op aarde informatie verzamelde. Het beeld is opgebouwd uit 14, elkaar deels overlappende stroken van elk 3000 kilometer breed. In de streken rond de Noordpool is het donker, zodat daar geen informatie beschikbaar is die bruikbaar is voor de constructie van een satellietbeeld in natuurlijke kleuren. (Bron: NASA).

Fig. 2: doordat de stroken die de VIIRS afscant, elkaar gedeeltelijk overlappen (rechtsonder), kan het hele aardoppervlak dagelijks in beeld worden gebracht. Satellietbeelden in natuurlijke kleuren, zoals de figuren 1, 3 en 4, zijn opgebouwd uit meetgegevens in de banden rood, groen en blauw (links). Rechtsboven is de positie van het oog van een denkbeeldige waarnemer geschetst die de aarde waarneemt op de manier zoals in figuur 4 weergegeven. (Bron: NASA).

Satellietbeelden
De Suomi NPP satelliet komt overdag op in het zuiden en passeert de evenaar om 13.30 lokale tijd. Daardoor zijn de belichting en de schaduwen op opeenvolgende stroken vrijwel identiek. Dit maakt de informatie afkomstig van verschillende plekken op aarde onderling vergelijkbaar. Ook kunnen beelden van opeenvolgende dagen of van dezelfde datum in een eerder jaar gemakkelijker met elkaar vergeleken worden.
De VIIRS maakt geen foto's, maar verricht stralingsmetingen in 22 verschillende golflengtegebieden of banden in het zichtbaar licht en het infrarood. Voor het construeren van satellietbeelden in natuurlijke kleuren, wordt de informatie gebruikt die de banden rood, groen en blauw aanleveren (figuur 2, linksboven). Door deze gegevens op de voor de hand liggende manier aan te sluiten op de rode, groene en blauwe ingangen van een beeldscherm of een printer, ontstaat het gewenste satellietbeeld. Figuur 3 geeft een voorbeeld. We zien het westen van Australië op 22 november 2011, de tweede dag waarop VIIRS-gegevens beschikbaar waren. De zilverwitte band boven de Indische Oceaan, die wordt onderbroken door het vasteland van West-Australië, wordt veroorzaakt door zonneglinstering. In het gedeelte ten noorden van Australië zijn op de plaatsen waar het zeeoppervlak als volmaakte spiegel fungeert, lichte witte vlekken zichtbaar. Rechts daarvan veroorzaken zwaartekrachtsgolven een patroon van langgerekte, van zuidwest naar noordoost georiënteerde wolkenstrepen. In het gebied staat weinig wind; daardoor is de situatie ook geëigend voor het optreden van zeewind. De bewolking van het zeewindfront is duidelijk zichtbaar.
Twee dagen later was de VIIRS zo ver ingeregeld dat voor het eerst een volledige dekking van het aardoppervlak kon worden verkregen. Door de gegevens van de verschillende omlopen te combineren, kon de hele aarde in één afbeelding worden weergegeven (figuur 1). Eind november is het in de streken rond de Noordpool de hele dag donker, zodat in de figuur het Noordpoolgebied ontbreekt.
In het beeld is duidelijk de gelijkmatige belichting van de verschillende stroken te herkennen. Weerspiegelingen van zonlicht treden steeds op in het linkerdeel van een gescande strook, bijvoorbeeld boven de Indische Oceaan ten oosten van Madagascar (meer detail). Aan de rechterzijde van de stroken is het effect van verstrooiing van zonlicht door stof- en vuildeeltjes zichtbaar.

Fig. 3: een van de eerste beelden van de VIIRS toont een door de Indische Oceaan omgeven West-Australië op 22 november 2011. Ten noorden van West-Australië zijn in het oceaanwater onder andere reflecties van zonlicht te zien. Langs de kust treedt zeewind op, getuige de aanwezigheid van bewolking die duidt op een zeewindfront. (Bron: NASA).	Fig. 4: satellietbeeld in natuurlijke kleuren van de aarde op 23 januari 2012. Het beeld is opgebouwd uit zes, elkaar deels overlappende stroken van elk 3000 kilometer breed. De positie van het oog van de denkbeeldige waarnemer is aangegeven in figuur 2, rechtsboven. Boven Straat Mozambique ligt de tropische cycloon Funso (meer detail). (Bron: NASA).	Fig. 5: VIIRS-infraroodbeeld (kleur) en zichtbaarlichtbeeld (grijs)van de tropische cycloon Funso. Het oog van de cycloon is in deze weergave duidelijk zichtbaar. Datum: 24 januari 2012. (Bron: NASA/CIMSS) (Klik op het beeld voor een vergroting). (meer over Funso).

Blauwe bolletjes
De VIIRS-data kunnen ook worden gebruikt om een satellietbeeld van de aarde te construeren als blauw bolletje ('blue marble'). Dit type beelden past in een lange traditie van NASA, die voorschrijft dat er steeds van dergelijke beelden beschikbaar zijn gebaseerd op de meest recente technologieën, instrumentele waarnemingen en projecten. De eerste versie dateert van 7 december 1972, toen de Amerikaanse ruimtevaarders van de Apollo 17 op weg naar de Maan achterom kijkend de aarde zagen en fotografeerden vanaf 45000 kilometer hoogte (afbeelding). De resulterende opname is een van de beroemdste die ooit van de aarde werd gemaakt. De Apollo-foto diende als inspiratie voor volgende versies van het blauwe bolletje, gebaseerd op gegevens van weersatellieten.
De jongste aanwinst is het bolletje van figuur 4, gebaseerd op VIIRS-metingen van 23 januari 2012. De Suomi NPP satelliet zit echter te laag om zo'n bolletje 'in één oogopslag' te kunnen zien. Voor het beeld van figuur 4 zijn zes stroken VIIRS-waarnemingen gebruikt; het oog van de denkbeeldige waarnemer bevindt zich op ongeveer 12.750 kilometer hoogte (figuur 2, rechtsboven); een lengte die ongeveer gelijk is aan de diameter van de aarde. Ter vergelijking: de astronauten in het internationaal ruimtestation ISS bevinden zich veel lager op een hoogte van 330 tot 410 kilometer boven het aardoppervlak. De waarneempositie is 45 graden oosterlengte en 10 graden zuiderbreedte; daardoor valt het donkere Noordpoolgebied, dat in figuur 1 nog een gat achterliet aan de bovenzijde van het satellietbeeld, nu buiten het gezichtsveld en is het blauw bolletje helemaal opgevuld met meetgegevens.
Op het beeld van figuur 4 zijn vier zilverwitte banden zonneglinstering te zien. De bewolking van een depressie boven de Indische Oceaan - rechtsonder in beeld - spiraliseert met de wijzers van de klok mee rond de depressiekern. Op het noordelijk halfrond is de draairichting tegengesteld, zoals te zien is aan de depressiekrullen ten westen van Europa en Noord-Afrika in het satellietbeeld van figuur 1 (meer detail). Boven Straat Mozambique, tussen Madagascar en het Afrikaanse vasteland, ligt de tropische cycloon Funso, die sinds de vorming op 19 januari maar weinig van positie was veranderd. Op detailopnamen van de cycloon is een oog te zien, dat ook 24 (figuur 5) EN op 25 januari - de dag dat Funso was uitgegroeid tot een zeer krachtige orkaan van de vierde categorie op een schaal van 5 - nog aanwezig was (figuur).

Meer banden
De beelden die hierboven werden besproken maakten alle gebruik van slechts drie banden van de VIIRS: rood, groen en blauw. Het instrument levert veel meer informatie, bijvoorbeeld in het infrarood. Daarmee kunnen 'temperatuurbeelden' van het aardoppervlak en de bewolking daarboven worden geconstrueerd. Figuur 5 gaf hiervan al een voorbeeld. Verder is er onder andere de 'day/night band'(DNB), waarmee ook 's nachts bij weinig licht informatie kan worden verzameld, zoals verlichting van een grote steden of een stofstorm in maanlicht. Tot nog toe had alleen de OLS een dergelijke faciliteit. Verdere toepassingsmogelijkheden van VIIRS-data behelzen onder meer het verzamelen van gegevens over de temperatuur van het aardoppervlak en het zeewater, natuurbranden, ijs, vegetatie en bewolking.

Literatuur:
1. Floor, K., Tien jaar Terra-data, Zenit, maart 2010.
2. Floor, K., Satelliet Terra vijf jaar in de lucht, Zenit, december 2004.