Fig.1 Bron: Jason-3 Products Handbook
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. Pas sinds eind 1992 worden serieuze pogingen gedaan om zeespiegelveranderingen te meten 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 van 2016 tot heden. Frankrijk doet ook mee met haar eigen Sentinel satellieten. Ik kijk hier vooral naar de Amerikaanse satellieten die vanaf 1993 een in de tijd continue reeks afleverden en waarvan de Jason-3 de meest recente satelliet is.
Fig.2 Bron: Jason-3 Products Handbook
De Jason-3 draait op een hoogte van ongeveer 1340 km boven de aarde zijn rondjes. De metingen van de satelliethoogtemeter zijn 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. Figuur 3 geeft de constructie van de zeespiegelstijging van eind 1992 tot oktober 2021 weer. De trend over deze periode is volgens University of Colorado 3,3 mm/jaar.
Figuur 3 Bron: University of Colorado
Behalve de altimeter, het hoofdinstrument dat de afstand ten opzichte van de zeespiegel meet zijn er nog meer meters aan boord:
- Een microgolfradiometer (AMR), geleverd door de NASA – om de hoogtemetingen te corrigeren voor vertragingen in het atmosferisch bereik veroorzaakt door waterdamp
- Het radioplaatsbepalingssysteem DORIS, geleverd door CNES – voor nauwkeurige baanbepaling met behulp van speciale grondstations
- Een Laser Reflector Array, geleverd door de NASA – voor het kalibreren van het baanbepalingssysteem
- Een precisie GPS-ontvanger (GPSP), geleverd door de NASA – om aanvullende positiegegevens te leveren aan DORIS en om modellen van het zwaartekrachtsveld te verbeteren en/of te verbeteren
Al die instrumenten zijn nodig om een aanzienlijk aantal geofysische correcties toe te passen zodat een zo nauwkeurig mogelijke hoogtemeting plaatsvindt. 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 (AMR) om de signaalvertraging te meten die ontstaat door waterdamp. Net zoals de altimeter dienen ook deze instrumenten regelmatig gecorrigeerd te worden, zoals figuur 4 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.
Figuur 4: 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 verticale positionering blijft lastig.
De ruwe meetgegevens zijn onbruikbaar en dienen dus gecorrigeerd worden. Dat dat geen overbodige luxe is bewijst figuur 5. 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 een millimeter verschil per jaar.
Figuur 5: Bron: Nerem et al, 2010
Door allerlei correcties heeft men getracht de bias tussen de 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.
Figuur 6 Bron: Watson et al 2015
Verdere kalibratie vindt plaats met behulp van een netwerk van getijdestations die zich recht onder de baan van de satelliet bevinden (figuur 6). Kalibratie met behulp van getijdemetingen is buitengewoon waardevol om tijdsafhankelijke fouten (driftfouten) op te sporen en te corrigeren. Figuur 6 toont in rood de door Watson et al gebruikte getijdestations. Zwart en blauw zijn onbruikbare stations als gevolg van respectievelijk non-lineaire bodembewegingen en aardbevingen.
Fig. 7 Bron: Haines et al 20021
Figuur 7 is afkomstig uit de paper van Haines et al uit 2021 over het zogenaamde Harvest experiment. Het Harvest Oil Platform, nabij Point Conception, Californië, heeft lange tijd gediend als NASA’s voornaamste verificatie-locatie voor de TOPEX/POSEIDON en Jason serie referentie hoogtemeter missies vanaf 1989 t/m 2019. De figuur toont de biases (afwijkingen) van nieuwere satellieten ten opzichte van de voorgaande missies. Het onderste deel van de figuur laat het resultaat zien van talloze correcties die zijn toegepast.
Die zogenaamde cross-calibration tussen de verschillende missies is een basisvoorwaarde voor klimaatstudies, een consistente combinatie van opeenvolgende missies is dan essentieel. Maar als er zoveel grote correcties moeten worden toegepast om van de diverse satellietmissies een consistente datareeks te maken, dan is de vraag natuurlijk waar we naar kijken als we de onderste grafiek in figuur 7 in ogenschouw nemen.
Fig.8 Bron: Dettmering et al 2019
Vrijwel gelijktijdig met de Jason-3 satelliet werd de Europese Sentinel-3 gelanceerd. Aan boord van de Sentinel-3 is ook een altimeter, SRAL. Het is natuurlijk interessant om te kijken naar eventuele afwijkingen tussen Sentinel-3 en Jason3. Dettmering et al volgden de eerste 1,5 jaar beide satellieten en merkten op dat er sprake was van een verschil tussen Sentinel-3 van 3,6 cm ten opzichte van Jason-3 met een lineaire trend van 4,0 mm/jaar.
Scharffenberg et al (2019) bestudeerden de effecten van het feit dat de diverse satellieten niet het gehele aardoppervlak scannen maar het deel tussen 66° NB en 66° ZB. Behalve ontbrekende gegevens over de met zeeijs bedekte gebieden ontbreken ook data van ondiepe zeeën. De ontbrekende gegevens worden ingevuld met behulp van interpolatietechnieken. De daardoor ontstane cumulatieve effecten leiden tot fouten in de GMSL-ramingen van ∼0,8 tot ∼3,2 mm (RMS).
Judith Curry schrijft in haar rapport Sea Level and Climate Change (2019):
“Complexe analysemethoden zijn nodig om ruwe satellietmetingen om te zetten in variaties van het zeeniveau. Correcties zijn nodig om de datareeksen van diverse satellietmissies ‘aan elkaar te plakken’ . Het kalibreren van de satellietwaarnemingen om het mondiale zeeniveau te krijgen is een complexe onderneming. Veel correcties op de ruwe metingen zijn nodig om rekening te houden met atmosferische vertragingen als gevolg van waterdamp, getijden, golfhoogte en dergelijke. Bovendien kunnen de altimetrische metingen van het zeeniveau worden beïnvloed door technieken en data die worden gebruikt om de baan van de satelliet te berekenen. De ijking van satellietinstrumenten is in de loop van de tijd aan verandering onderhevig, waardoor aanzienlijke vertekeningen ontstaan die voortdurend worden gekalibreerd en de verwerkingsalgoritmen worden gewijzigd.”
Het is duidelijk dat de ‘zeespiegelmeting’ met behulp van satellieten ongekend ingewikkeld is. Data moeten voortdurend gecorrigeerd worden en de omzettingen van meetgegevens naar zeespiegelhoogten zijn de uitkomsten van modellen. Dat toenemende inzichten leiden tot wijzigingen in de schattingen van de globale zeespiegelstijging tonen vele publicaties: Church en White 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 kwamen in 2015 uit op een globale zeespiegelstijging tussen 2,6 ± 0,4 en 2,9 ± 0,4 mm/jaar tussen 1993 en midden 2014 , Dieng et al (2017) kwamen 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.
Mijn conclusie is dat er ondanks de inzet van steeds meer high tech en voortdurende correcties op vrijwel alle onderdelen van de satelliet-altimetrie er desondanks grote onzekerheden zijn over de zeespiegelveranderingen zoals die in figuur 9 getoond worden. Het Jason-3 Products Handbook stelt zelf over de accuracy van de metingen van Jason-3:
Fig. 9 Bron: Jason-3 Products Handbook
Een meetsysteem waarmee de zeespiegel gemeten wordt vanaf een hoogte van 1340 km met een onnauwkeurigheid van 3,4 cm is op zich een ongekende technische prestatie. Maar om met die onnauwkeurigheid de hoogte van de zeespiegel te willen meten in millimeters is natuurlijk niet geloofwaardig. Dat lijkt op meten met een schuifmaat die van rubber gemaakt is.
De grafiek van figuur 10 waarin de mondiale zeespiegelveranderingen vanaf eind 1992 tot oktober 2021 weergegeven worden met een trend van 3,3 mm/jaar is daarom niet betrouwbaar. Niet alleen vanwege de grote onnauwkeurigheid van 3,4 cm, maar ook omdat de datareeksen van de diverse missies in eerste instantie grote onderlinge biases vertoonden. Door de diverse meetreeksen onderling te ‘ijken’ is er een ‘continue’ meetreeks uit de hoge hoed getoverd, en lange continue meetreeksen zijn gewild in de klimatologie. Maar het ijken op basis van de meetresultaten van een andere satelliet is vanuit meettechnische principes niet geoorloofd. IJken doe je op een standaard en niet op de resultaten van een andere satelliet,
Figuur 10 Bron: University of Colorado