Satellietmetingen van de zeespiegel


Jason-3 satelliet

Al in 1978 zijn er pogingen geweest om de zeespiegel vanuit de ruimte te meten. De eerste missie was van Seasat in 1978. Helaas duurde die metingen maar 24 dagen en de missie werd door kortsluiting beëindigd. Ook met Geosat werd in de jaren ’80 een poging gedaan. Sinds 1992 worden zeespiegelveranderingen gemeten met behulp van hoogtemeters aan boord van satellieten. Achtereenvolgens zijn dat TOPEX/Poseidon (6-12-1992 tot 10-1-2002), Jason1 ( 15-1-2002 tot 2-7-2008), Jason2 (3-7-2008 tot 2016) en Jason-3 (2016 tot heden).

De schatting van de satelliet-hoogtemeter is gebaseerd op de afstand tussen de gemeten zeespiegel en het midden van de aarde (geocentrische zeewaterhoogte of SSH). Dat gebeurt door de gemeten afstand tussen de satelliet en zeeoppervlak (na correctie voor veel effecten op het radarsignaal) van de precieze baan van de satelliet af te trekken. Onderstaande grafiek geeft de constructie van de zeespiegelstijging van1992 t/m 2017 weer. De trend over deze periode is volgens University of Colorado 3,1 mm/jaar (+/- 0,4 mm).

Zeespiegelstijging op basis van altimetrie volgens University of Colorado
Bron: University of Colorado

De meetresultaten van zeespiegelmetingen door satellieten, altimetrie, berusten echter op een aanzienlijk aantal geofysische correcties. Het meten van de afstand tussen zeespiegel en satelliet wordt beïnvloed door wat de “sea state bias” wordt genoemd, afwijkingen als gevolg van zwaartekracht en elektromagnetisme. (Tran et al, 2010)

Een andere factor die de metingen beïnvloedt is de hoeveelheid waterdamp in de troposfeer. Daarvoor hebben de satellieten een speciaal meetinstrument aan boord (JMR in Jason-1, AMR in Jason-2) om de signaalvertraging te meten. Ook deze instrumenten dienen regelmatig gecorrigeerd te worden, zoals onderstaande grafiek toont. De sprongen van 5 tot 8 mm in het signaal leverden een afwijking van 6 mm/jaar op in de geschatte zeespiegelverandering. Constante monitoring en correctie is noodzakelijk.Verschillen in signaalvertraging tussen JMR en diverse andere meetreeksen.
Bron: Fu et al 2012

Bovendien is voortdurende monitoring van de satelliethoogtemeter noodzakelijk door gebruik te maken van in-situ data. Vanuit een aantal locaties over de hele wereld worden de satelliethoogtemeters gekalibreerd met behulp van geodetische instrumenten in de buurt van de satellietbaan of bij kruispunten (platforms, getijmeters, boeien). Navigatiesystemen zoals GPS zijn dan onontbeerlijk maar nog steeds zijn er problemen: verticale positionering blijft een probleem. (IAG 2011)

De ruwe meetgegevens zijn onbruikbaar en dienen dus gecorrigeerd worden. Dat dat geen overbodige luxe is bewijst figuur xx. Het betreft de meetverschillen (bias) vanaf 1992 tot 2010 tussen de 3 satellieten. Tussen Topex en Jason-1 is een bias van 99,6 mm, tussen Jason-1 en Jason-2 een verschil van 75,3 mm. Let wel: bij zeespiegelmetingen gaat het vaak om tienden van millimeters verschil per jaar.

Verschillen in meetreeksen globale gemiddelde zeespiegelhoogte tussen de satellieten Topex, Jason-1 en Jason-2 vóór correctie
Bron: Nerem et al, 2010

Door veranderingen in de gebruikte SSB-modellen en andere correcties heeft men getracht de bias tussen de drie satellietreeksen te verkleinen. Zo heeft men het gat tussen Topex en Jason-1 kunnen verkleinen door correcties op basis van het feit dat beide satellieten in 2002 een overlapperiode kenden van 7 maanden (“cross-calibration”). De bias tussen Jason-1 en Jason-2 is verbazingwekkend omdat beide satellieten gebruik maken van identieke meetinstrumenten.

Verdere kalibratie vindt plaats met behulp van een netwerk van getijdestations die zich recht onder de baan van de satelliet bevinden. Kalibratie met behulp van getijdemetingen is buitengewoon waardevol om tijdsafhankelijke fouten (driftfouten) op te sporen en te corrigeren. Groot probleem vormen de verticale bewegingen van de aardkorst en hun invloed op getijdedata.

In rood de door Watson et al gebruikte getijdestations. Zwart en blauw zijn onbruikbare stations als gevolg van respectievelijk non-lineaire bodembewegingen en aardbevingen.
Bron: Watson et al, 2015

Het is duidelijk dat de ‘zeespiegelmeting’ met behulp van satellieten ongekend complex is. Data moeten voortdurend gecorrigeerd worden en zijn de uitkomst van modellen. Dat toenemende inzichten leiden tot wijzigingen in de schattingen van de globale zeespiegelstijging tonen recente publicaties. Church en White (2011) kwamen in 2011 nog uit op een gemiddelde stijging van 3,2 ± 0,4 mm/jaar voor de periode 1993-2009 en gebruikten alleen GIA data voor correctie.

Watson et al komen in 2015 uit op een globale zeespiegelstijging tussen 2,6 ± 0,4 en 2,9 ± 0,4 mm/jaar tussen 1993 en midden 2014 door gebruik te maken van op GPS gebaseerde VLM (vertical land movement) data. Dieng et al (2017) komen uit op 3,0 mm/jaar.

Chen et al (2017) gaan uit van een zeespiegelstijging (altimetrie) van 2,4 ± 0,2 mm/jaar in 1993 tot 2,9 ± 0,3 mm/jaar in 2014. University of Colorado stelt in 2018 de zeespiegelstijging gemeten door satellieten sinds 1993 bij van 3,4 mm/jaar naar 3,1 mm/jaar. Het zal de laatste bijstelling niet zijn verwacht ik.

Gelukkig zijn er ook nog de zeespiegelmetingen met behulp van boeien. Getijdemetingen worden uitgevoerd als relatieve zeespiegelveranderingen ten opzichte van een vast punt op het land. Die getijdemetingen vinden plaats met behulp van zogenaamde tide gauges, meetboeien, op een aantal plaatsen langs de kust verspreid over de wereld. De oudste bruikbare meetreeks is die van Brest (F), die startte in 1807 en tot op de dag van vandaag actief is. De oudste nog actieve meetreeksen in Nederland stammen uit de 19e eeuw.  Er zijn momenteel in totaal ruim 1200 beschikbare getijdemeetreeksen beschikbaar, met een gemiddelde trend t/m 2016 van 1,65 mm/jaar. Dat is bijna de helft van wat University of Colorado berekent op basis van de satellietdata. Er is nog veel onderzoek te doen.


Trend van alle 1269 PSMSL/NOAA getijdestations naar startjaar
Data: Sealevel.info