Harmonie op de Wadden
Een belangrijke mijlpaal in de voorbereiding van de kandidaat voor ESA's tiende Earth Explorer-satellietmissie, Harmony, is bereikt dankzij twee vliegtuigen die in strakke formatie boven de Nederlandse Waddeneilanden vliegen en belangrijke gegevens verzamelen over de toestand van de zee en de stromingen. Het hoofddoel van dit uitdagende experiment is om de geometrie na te bootsen waarin de Harmony-satellieten verschillende aspecten van de dynamiek in de oceaan zullen meten om te begrijpen hoe de lucht en het oceaanoppervlak op elkaar inwerken, wat op zijn beurt kan leiden tot verbetering van de weersvoorspelling en de klimaatmodellen.
Het Harmony-missieconcept doorloopt momenteel de laatste fasen van de voorbereiding om doorgang te vinden als het Earth Explorer 10 vlaggenschip. Een gebruikersconsultatie zal plaats vinden op 5 juli en de beslissing voor missie-implementatie wordt verwacht in september.
Earth Explorers, die ontwikkeld zijn in het kader van het FutureEO-programma van ESA, zijn baanbrekende onderzoeksmissies die aantonen hoe nieuwe meettechnieken tot nieuwe wetenschappelijke bevindingen over onze planeet kunnen leiden. Zij bevorderen de wetenschap en de technologie en behandelen vraagstukken die directe gevolgen hebben voor maatschappelijke kwesties zoals de beschikbaarheid van voedsel, water, energie en hulpbronnen, de volksgezondheid en klimaatverandering.
Het Harmony-concept omvat twee identieke satellieten die samen met een Copernicus Sentinel-1-radarsatelliet in een baan om de aarde draaien. Elke Harmony-satelliet is ontworpen om als belangrijkste instrument een passieve synthetische apertuurradar te dragen die de weerkaatste signalen van het aardoppervlak van Sentinel-1 kan ontvangen.
Op het land zou Harmony gegevens verschaffen om kleine veranderingen van het landoppervlak te meten, zoals ten gevolge van aardbevingen en vulkanische activiteit, en derhalve bijdragen aan de monitoring van risico's. Dit zal ook nieuwe informatie opleveren voor het bestuderen van de 3D-vervorming en stromingsdynamica van gletsjers in de snel veranderende randzones van de ijskappen voor een beter begrip van de stijging van de zeespiegel door verlies van landijs.
Boven de oceaan zou Harmony gelijktijdige metingen van oppervlaktewind, -stromingen en -temperatuur alsook van oceaangolven mogelijk maken. Het recente experiment boven de Waddeneilanden was toegespitst op de wijze waarop Harmony precies dit zou doen.
De hoofdonderzoeker van Harmony, Paco López-Dekker van de Technische Universiteit Delft in Nederland, legt uit: “Een van de fundamentele problemen bij het modelleren van weer en klimaat is dat we rekening moeten houden met processen die variëren van submeterschalen tot wereldwijde schalen, met een levensduur die varieert van seconden tot maanden of zelfs jaren.
“Processen op verschillende schalen zijn ook aan elkaar gekoppeld. Mondiaal en regionaal weer en klimaat kunnen niet worden begrepen zonder rekening te houden met bijvoorbeeld de uitwisseling van warmte, momentum en gassen op het grensvlak tussen lucht en zee, die voornamelijk het resultaat zijn van kleinschalige processen zoals atmosferische grenslaagturbulentie, wervelingen en fronten in de bovenste oceaan en oceaangolven.”
“Aangezien het onmogelijk is om het volledige scala van schalen numeriek te simuleren, vertrouwen we op vereenvoudigde modellen om te begrijpen wat er gebeurt op de kleine, onopgeloste, schalen. Het ontwikkelen en verbeteren van deze kleinschalige modellen is sterk afhankelijk van waarnemingen en dat is waar Harmony om de hoek komt kijken.”
Björn Rommen van het ESA voegt daaraan toe: “Harmony is ontworpen om gegevens te verstrekken over oppervlaktewinden, oppervlaktestromingen, oceaangolven en zeeoppervlaktetemperatuur op verschillende schalen door het oceaanoppervlak tegelijkertijd vanuit verschillende richtingen te observeren met zowel het radarsysteem als het thermisch infra-rood instrument van de Harmony satellieten.
“Dit wordt op elegante wijze gedaan door één Harmony-satelliet een paar honderd kilometer voor een Copernicus Sentinel-1-satelliet te laten vliegen en de andere Harmony-satelliet achter de Sentinel-1, in wat wij een multistatische configuratie noemen.”
“Het experiment boven de Waddeneilanden in Nederland is belangrijk omdat het helpt ons theoretisch inzicht te bevestigen in wat de radar gaat meten.”
Het cruciale, maar lastige deel van de campagne bestond er dus in om twee vliegtuigen in zorgvuldige formatie te laten vliegen, een kilometer uit elkaar, en om de geometrie van de Harmony-missie te evenaren bij het verzamelen van gegevens over stromingen aan het zeeoppervlak en de toestand van de zee.
ESA-campagnewetenschapper Julia Kubanek: "We hebben de Waddenzee gekozen omdat er sterke getijdenstromingen en variabele winden zijn. Hoewel wind misschien niet de beste vriend van een piloot is, hadden we er toch een beetje van nodig, zodat de zee een beetje woelig was. Gelukkig was het weer gunstig gestemd en konden we alle vluchten voltooien en de gegevens verzamelen die we nodig hadden.
“Elk vliegtuig had een C-band synthetische apertuurradar aan boord. Om de zend-ontvangstregeling tussen Sentinel-1 en Harmony te simuleren, kon een van de instrumenten van het vliegtuig radarsignalen uitzenden en ontvangen van en naar het zeeoppervlak, en was het andere instrument alleen een ontvangstinstrument.”
“Alles bij elkaar hebben we een zeer succesvolle campagne gehad. Zo hebben we op een van de dagen meer dan vijf uur gevlogen bij zeer goed weer, waarbij we enkele belangrijke doelen zijn gepasseerd, zoals een veerboot die een sensor vervoert en ook een station dat de zeestromingen meet.”
“We zijn nu al deze gegevens aan het analyseren, maar we zijn er nu al van overtuigd dat de resultaten van nut zullen zijn voor de Harmony-missie van de ESA.”
De campagne werd namens ESA uitgevoerd door MetaSensing Radar Solutions, met steun van Deltares, het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee en het Paracentrum Texel.
