Hoe bepaal je zeeniveau?

In 2019 bleek uit onderzoek dat de Mekongdelta lager was dan gedacht. In plaats van dat de delta gemiddeld 2,6 meter boven zeeniveau ligt, blijkt hij maar 0,8 meter boven de zee uit te steken. Voor een groot, vlak gebied naast de zee is dit een belangrijk verschil, vooral als er ook sprake is van een relatieve zeespiegelstijging. Dit was veroorzaakt doordat de hoogte van het zeeniveau verkeerd was bepaald. Hoe kan dat?

Het bepalen van de hoogte van zeeniveau is lastiger dan je denkt. Het is namelijk nergens op aarde hetzelfde. Dit heeft alles te maken met de zwaartekracht (benieuwd hoe we zwaartekracht meten? Lees het kader onderaan). Denk eens aan getijden. De verschillen in de hoogte van de zeespiegel worden veroorzaakt door de aantrekkingskracht van de maan in samenwerking met de zon. Naast de maan zijn er ook effecten van de aarde zelf die verschillen in de sterkte van de zwaartekracht veroorzaken. Zo ontstaat er een heel patroon van verschillende sterktes over het oppervlak. Dit wordt gemeten op diverse manieren, zoals met vliegtuigen of satellieten. Toch moeten ze allemaal omgezet worden naar één zeeniveau. Hoe zit dat?

De geoïde

Als er metingen worden gedaan is het relevant om te weten wáár ze worden gedaan. In de ruimte is de zwaartekracht veel minder sterk dan op zeeniveau. Een satelliet zal dan ook een ander beeld van de zwaartekracht geven dan landmetingen. Om ze toch wel samen te kunnen gebruiken, worden alle metingen omgezet naar eenzelfde format. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een combinatie van meetgegevens en de gemodelleerde invloed van eerdergenoemde effecten. Het model heet de geoïde. De geoïde is een bedacht oppervlak dat zich ongeveer op het aardoppervlak bevindt. Waar de zwaartekracht sterk is, is de geoïde hoog en andersom. Het kan worden voorgesteld alsof de hele aarde bedekt is met water. Dan zou er meer water stromen naar waar de zwaartekracht sterk is. Het wateroppervlak stelt dan de geoïde voor.

Op land is dit natuurlijk puur hypothetisch, maar op zee kan dit daadwerkelijk waargenomen worden. Tijdens een lange trip over de oceaan met een boot is het goed mogelijk om over een bult water heen te reizen. De hele tijd reis je op zeeniveau, maar de afstand tot de aardkern varieert intussen wel. 

De geoïde laat ook niet elk effect zien. Waar de werkelijke zwaartekracht afwijkt van de geoïde is een zogenaamde anomalie. Hier moet dan sprake zijn van een effect dat niet opgenomen is in het model voor de geoïde. Hier kan dan onderzoek naar worden gedaan om een verklaring te vinden.

Ook kan het zijn dat de metingen simpelweg niet kloppen. Er worden eens in de zoveel tijd nieuwe versies uitgebracht. De meest bekende versie is waarschijnlijk degene die gebruikt wordt voor gps, namelijk WGS-84. In het geval van de Mekongdelta bleek dat onderzoek gebaseerd op de geoïde EGM96 en de nieuwere EGM08 niet het juiste beeld gaf van het zeeniveau bij de delta.

Zo blijkt dat het bepalen van hoe hoog het zeeniveau is lastig is door de verschillende effecten die de zwaartekracht beïnvloeden. Deze variëren over de hele aarde heen. Het zeeniveau in de Grevelingen is daardoor waarschijnlijk niet even hoog als bij bijvoorbeeld Vũng Tàu.

 

De meting van zwaartekracht

Over het algemeen wordt als er met de zwaartekracht gewerkt wordt, gesproken over de zwaartekrachtsversnelling (g). Dit is ook wel de valversnelling en zorgt ervoor dat voorwerpen naar de aarde toe versnellen. Verschillen in de sterkte van deze versnelling worden veroorzaakt door verschillende factoren, die op verschillende schalen werken. Voor een algemeen geval is misschien 9,81 m/s2 voldoende, maar om deze factoren te bepalen moeten de getallen verder achter de komma ook precies bepaald worden. De verschillende factoren hebben dan invloed op verschillende getallen achter de komma. Dit kan zelfs worden gedaan tot op de zevende decimaal. Hieronder per decimaal uitgelegd welke factor er invloed op heeft:

1. Op zijn makkelijkst gezegd is de aarde een aardig grote bol met een bepaalde massa die in de ruimte zweeft. De zwaartekracht op een bepaald punt kan dan worden gemeten met de bekende gravitatiewet van Newton.

2. Hier moet al snel wat nuance bij worden aangebracht. De aarde draait rondt en ‘slingert’ daardoor een deel van zijn materiaal naar buiten op de evenaar. Hierdoor is de straal van de aarde op zijn maximum op de evenaar en minimaal op de polen. Het verschil is zo’n 21 kilometer. De vorm wordt dus beter beschreven als een afgeplatte bol.

3. In Nederland is het soms makkelijk te vergeten, maar het oppervlak van de aarde is niet geheel glad. Dus deze afgeplatte bol kan ook geen perfecte weergave zijn. Het aardse landschap wordt gekenmerkt door bergruggen en zeetroggen. Het maximale verschil te vinden (tussen de Marianentrog en Mt. Everest) is een grove 20 km. Op de schaal van de aarde is dit niet veel. Dit is te vergelijken met een lengteverschil van 0,57 cm voor de gemiddelde man in Nederland.

4. Onder het oppervlak is het ook niet netjes verdeeld. De aarde kan worden ingedeeld korst-mantel-kern, maar deze kunnen ook weer in kleinere onderdelen worden onderverdeeld, wiens grenzen nooit helemaal netjes verdeeld zijn. Als voorbeeld kan worden gedacht aan de subductie van platen, mantelpluimen en de verschillen tussen oceanische en continentale korst.

5. Het oppervlak is niet alleen onregelmatig, het wordt ook bedekt door grote waterlichamen. Oceanen, zeeën en grote meren zijn duidelijke voorbeelden. Ook de grote hoeveelheden water die worden vastgehouden in een regenwoud zoals de Amazone of ijskappen op de polen kunnen worden gemeten.

6. Tot nu toe hebben alle effecten hun oorsprong gevonden in de aarde zelf. De aarde zweeft alleen niet in zijn eentje in de ruimte. Voornamelijk de effecten van de zon en maan kunnen worden bemerkt op de aarde. De maan veroorzaakt de getijden en de zon dempt of versterkt deze. De combinatie van de twee zorgen voor de dood- en springtij.

7. De schaal waarop gewerkt wordt is intussen zo klein geworden dat dit moeilijk te onderscheiden is en vooral lokale effecten betreft. Dit zou bijvoorbeeld een groot gebouw kunnen zijn dat in de buurt staat van het meetinstrument.

MEER INFORMATIE

• Een video over zeeniveau
• Een video van de European Space Agency (ESA) over hun satelliet die metingen voor de geoïde doet
• Het onderzoek over de Mekongdelta: Minderhoud, P.S.J. e.a. (2019), Mekong delta much lower than previously assumed in sea-level rise impact assessments. Nature Communications 10, 3847.
• Een voorbeeld van een geoïde in de wetenschappelijke literatuur: Pavlis, N.K. e.a.( 2012),  The development and evaluation of the Earth gravitational model 2008 (egm2008). Journal of geophysical research: Solid Earth, 117 (B4).