Het gezin van Gerd-Jan van Zadelhoff gaat dit jaar in Nederland op vakantie. „Op een camping binnen autobereik van het KNMI.” Hij verwacht „een zomer vol lol op het werk”. Van Zadelhoff is vanuit het KNMI projectleider van EarthCARE, de nieuwe satelliet die tussen 28 en 31 mei – afhankelijk van het weer – in Californië wordt gelanceerd.
Vanaf 400 kilometer hoogte gaat de satelliet wolken, fijnstof, zonnestraling en warmtestraling meten. Daarmee moet de onzekerheidsmarge van klimaatmodellen flink kleiner worden. Ook zullen weersverwachtingen verbeteren. EarthCARE is van Europese ruimtevaartorganisatie ESA en haar Japanse tegenhanger JAXA. Het KNMI leidt de wetenschappelijke kant van de missie.
De voorbereidingen zijn al ruim twintig jaar bezig. Van Zadelhoff werkt er nu vijftien jaar aan mee. „We zouden oorspronkelijk in 2013 of 2014 lanceren, dus we hebben wel vertraging opgelopen”, zegt hij. „De instrumenten die erop zitten zijn helemaal op maat gemaakt”, vult collega Dave Donovan – al 20 jaar betrokken – aan.
Dat wolken grote invloed hebben op weer en klimaat is zeker. Maar welke processen binnen en tussen wolken precies spelen is nog altijd lastig te doorgronden. In klimaatmodellen zitten grote onzekerheidsmarges, voornamelijk veroorzaakt door onduidelijkheid over wolken.
Het algemene mechanisme is wel duidelijk, legt Van Zadelhoff uit. Zonnestraling komt richting aarde, een deel daarvan wordt direct gereflecteerd, en een ander deel gaat als warmtestraling terug naar boven. Wolken interfereren hierin. Hoge wolken, die voornamelijk uit ijs bestaan, laten veel zonlicht door en houden uitgaande warmtestraling vast. „Die hebben een opwarmend effect”, zegt Van Zadelhoff. Voor lage wolken geldt het tegenovergestelde: ze bestaan uit kleine deeltjes, voornamelijk waterdruppeltjes, die veel zonlicht reflecteren. Deze wolken houden geen warmte vast en zijn over het algemeen afkoelend.
„Maar tussen deze twee uitersten zitten vreselijk veel variaties”, zegt Van Zadelhoff. „Lang niet van alle wolken zijn de effecten zo duidelijk. En er gebeurt ook nog van alles als je fijnstof toevoegt.”
Fijnstof, ook wel aerosolen genoemd, is afkomstig uit verkeer, industrie, bosbranden, woestijnstof en vulkanen. De deeltjes die hierdoor in de atmosfeer terechtkomen kunnen condensatiekernen worden, daarbij vormen kleine druppeltjes rond het deeltje. Dan wordt de wolk reflecterender en bestaat hij vaak langer. Maar de kleur van het deeltje maakt uit. Een zwart roetdeeltje absorbeert straling, en dan verdampt de wolk juist weer sneller. Veranderingen in wolken hebben bovendien invloed op luchtdruk en wind.
„Straling, wolken en aerosolen zijn constant in samenspel met elkaar”, zegt Donovan. „Je kunt je niet op één onderdeel concentreren, want al het andere verandert tegelijkertijd en er is niet één oorzaak van een verandering aan te wijzen.”
Tot nu toe worden wolken vanaf de grond geobserveerd, maar grondapparatuur kan alleen naar de lucht vlak boven zich kijken en is dus beperkt. „Satellietmetingen hebben in het verleden ook wel plaatsgevonden, maar toen vlogen verschillende instrumenten in afzonderlijke satellieten achter elkaar aan”, zegt Donovan. „In de paar minuten tussen twee metingen kan een wolk al enorm veranderen.”
EarthCARE gaat verschillende instrumenten tegelijkertijd gebruiken. „Daarmee ontstaat een compleet beeld van een wolk op één moment op één plek”, zegt Van Zadelhoff. „We gaan straks voor het eerst zien of onze aannames in de modellen over wolken kloppen.”
Grote en kleine deeltjes
Op de satelliet zitten vier meetinstrumenten. De radar, de grote schotel aan de voorkant, maakt een dwarsdoorsnede van een wolk en kan onder meer zien waar regendruppels en waar ijs zit. Hij is goed in het meten van grote deeltjes. De lidar, het instrument naast de radar, ziet ook kleinere deeltjes. Hij meet fijnstof en genereert een profiel van de bovenkant van ijs- en waterwolken. De imager, op het achterste blok, maakt een platte opname van de atmosfeer over een breedte van 150 kilometer. De drie instrumenten samen geven een 3D-beeld van een wolk.
Het vierde instrument, ook op het achterste blok van de satelliet, is een stralingsmeter. Die meet zowel zonnestraling als warmtestraling en hiermee is te bepalen wat de invloed van een wolk is op de stralingsbalans van de aarde.
EarthCARE (CARE staat voor Cloud, Aerosol and Radiation Explorer) is ruim 17 meter lang, waarvan 13 meter aan zonnepanelen, en weegt 2.200 kilo. Elke 25 dagen komt hij over hetzelfde stuk aarde, hij meet 389 verschillende stroken aardoppervlak per cyclus.
EarthCARE ‘wolkensatelliet’Vier meetinstrumenten die samen een compleet beeld van een wolk geven
„Oorspronkelijk was de bedoeling nog een vijfde instrument mee te nemen, een infrarood spectrometer die temperatuur meet”, zegt Donovan. „Omwille van de kosten en de energieverdeling hebben we uiteindelijk besloten die te laten vallen. We hebben 13 meter aan zonnepanelen, 1,7 kilowatt, maar toch hebben we lang gepraat over hoe we de energie over de instrumenten gingen verdelen. Lidar en radar zijn energievreters.”
Ook lang een vraag: waar gaat EarthCARE precies vliegen? „De imager kan niet zo goed omgaan met direct gereflecteerd zonlicht”, zegt Donovan. „Dus de mensen die daaraan werkten wilden zo min mogelijk tijd boven de oceaan. Maar de mensen van de stralingsmeter zijn juist heel geïnteresseerd in oceaanoppervlakken. Daar hebben we een paar jaar over gediscussieerd.” Van Zadelhoff: „Helaas voor ons komt hij niet recht over onze meetapparatuur in Cabauw, maar wel dicht in de buurt.”
Dat nou juist het KNMI de missie wetenschappelijk leidt lijkt opmerkelijk, als relatief klein meteorologisch instituut. Nederland is tot nu toe wereldwijd vooral actief op enkele specialistische gebieden. Het KNMI heeft bijvoorbeeld het meetinstrument Tropomi, dat op ESA-stelliet Sentinel 5P zit. Dat meet sporengassen en methaanuitstoot en daarin is het KNMI in de loop der jaren de wereldwijde expert geworden. Maar grote weersatellieten zijn bijvoorbeeld van de VS, Rusland en China.
„Het kleine KNMI speelt op het gebied van wolken op het hoogste niveau mee”, zegt Van Zadelhoff. „Dat wij dit leiden komt deels ook door Dave, er zijn niet veel mensen die meer van lidar weten dan hij.”
Normaal gesproken meet een lidar vanaf de grond 10 kilometer omhoog. Het apparaat vanaf 400 kilometer naar beneden laten meten is veel ingewikkelder, vertelt Donovan. „Een lidar is een actief instrument, het zendt straling uit en uit het weerkaatsende signaal is te interpreteren hoe een wolk eruitziet. Hoe dichter je op je doel zit, hoe duidelijker het signaal. Je kunt je voorstellen dat de signalen bij meten vanuit de ruimte veel meer ruis bevatten. We moesten volkomen nieuwe strategieën ontwikkelen om die ruis te verminderen.”
De lancering is in zicht, dus de blik kan nu worden gericht op de tijd erna. Tijdens deze ‘zomer vol plezier’ verwacht Van Zadelhoff de mogelijkheden van de verzamelde data al een beetje te kunnen verkennen. „En er zal nog veel finetuning van de software nodig zijn. Ongetwijfeld gedragen de meetinstrumenten zich net iets anders dan onze proefdata.”
Onder de wolken
Dan volgen maanden van valideren. „We hebben meetcampagnes met vliegtuigen gepland, samen met Franse en Duitse collega’s”, zegt Van Zadelhoff. „Die vliegen met dezelfde instrumenten als EarthCARE precies onder de satelliet. Ze gaan dus dezelfde wolken meten, en dan gaan we gegevens vergelijken. Zes maanden na de lancering zullen de ruwe data die EarthCARE genereert openbaar beschikbaar zijn, zodat iedereen ermee aan de slag kan.”
En wanneer zullen klimaatmodellen met de nieuwe wolkeninzichten een grote verbetering doormaken? Daar zijn de twee terughoudend over. „Ik verwacht zeker doorbraken. Maar dat kost wel een paar jaar”, zegt Donovan.
„We kunnen straks wel beter zeggen hoe het proces in de wolken werkt, maar dan moet het ook nog in een model worden gebracht”, zegt Van Zadelhoff. „Het model moet allereerst berekeningen maken voor 40 jaar terug. Vervolgens ga je vergelijken met nieuwe waarnemingen. Dan zul je zien dat het model net wat anders reageert omdat sommige dingen net anders geparametriseerd zijn. Het is helaas niet zo dat je in één keer alles goed kunt zetten.” Donovan: „Ik denk dat EarthCARE vooral een belangrijke rol gaat spelen in de nieuwe generatie klimaatmodellen.”
Donovan en Van Zadelhoff volgen de lancering vanuit het Duitse Darmstadt. „Vanuit die ESA-locatie worden alle satellieten bestuurd”, zegt Van Zadelhoff. „We gaan met vier mensen van KNMI, in totaal zijn er ruim 200 betrokkenen aanwezig.”
„Een heel spannend moment”, zegt Donovan. „Het is echt 25 jaar werk. Een deel van mij zou het liefst een maand gaan slapen, en pas wakker worden als alles achter de rug is. Als er iets misgaat bij de lancering…” Hij is even stil. „Het moet goed gaan. Een vervanger zal er nooit komen.”
