Speurtocht met satellietbeelden

Hoe 150 minisatellieten de aarde dagelijks in beeld brengen

National Geographic filmde in de zomer van 2017 met een drone een tot dan toe onbekende bron waaruit water spoot met de kracht van een fontein. Via satellietbeelden was te achterhalen waar het water van dit mysterieuze riviertje ergens in een bos in Alaska vandaan komt. Het illustreert wat mogelijk is met de huidige aardobservatie.

De beelden van National Geographic zijn onderdeel van een film over klimmen op de Ruth-gletsjer, die begint bij Mount Denali, de hoogste berg van Noord-Amerika. Op de filmbeelden lijkt het alsof de bron vóór de gletsjer ontspringt. Maar de bron grenst aan de gletsjer zelf, want de bomen groeien óp de gletsjer. Deze invasie van vegetatie is goed te zien als we oudere aardobservaties van de Landsat-satelliet uit 1976 (figuur 1a) vergelijken met die uit 2017 (figuur 1b).

Uit de oude en nieuwe Landsat-beelden valt een aantal zaken op te maken. Het pokdalige terrein is het einde van de gletsjer die zich sinds de kleine IJstijd bergopwaarts aan het terugtrekken is. De gletsjer laat ongesorteerd gruis achter waardoor een chaotisch landschap van heuvels en depressies met meren ontstaat. Wanneer je de satellietbeelden van 1976 en 2017 naast elkaar legt, is te zien dat de vegetatie, hier groen gekleurd, oprukt: zie de rode lijn. Verder is de omvang van de banden ijs, aangegeven in blauw en wit, kleiner dan op het nieuwere beeld. Het ijsvolume is in 2017 dus minder dan in 1976 en rotsen en puin die met de gletsjer meegevoerd worden, komen uiteindelijk tevoorschijn op het ijs. De donkere rotsen en puin absorberen meer zonwarmte waardoor de gletsjer nog sneller smelt. Naarmate de laag puin dikker wordt, verandert het evenwicht en zorgt deze laag voor isolatie. Door deze ‘deken’ van rots kan de gletsjer tot voorbij de boomgrens komen. Verder is aan de bruintinten op de gletsjertong (sedimenten) te zien dat er nog steeds verplaatsing is; het ijs onder het puin beweegt dus nog. Dat er bomen op de gletsjer groeien, is niet uniek in Alaska. De gletsjers daar zijn immens en kunnen door de grote toevoer aan ijsmassa tot op zeeniveau reiken. Normaal gesproken komen er geen bomen voor op een gletsjer, omdat het ijs beweegt en dus geen goede ondergrond biedt om te wortelen. Maar als het ijs niet of nauwelijks beweegt, is begroeiing wél mogelijk.

Satellietbeelden

Om de waterbron te lokaliseren, is gebruik gemaakt van data van PlanetScope. Dit is een systeem van microsatellieten, niet veel groter dan een melkpak, waarvan er momenteel 150 in aantal een baan om de aarde maken. Elk bevat één telescoop met een fotochip aan de achterzijde en wat elektronica eromheen. De satellieten maken elke dag foto’s van het aardoppervlak, met een resolutie van 3 meter. Op beelden van begin augustus 2017 kunnen we dan ook op zoek gaan naar de plek waar het riviertje ontspringt in de buurt van de Ruth-gletsjer.

Iets ten noorden van de bron, boven op de gletsjer, blijken twee meren te liggen. De satellietbeelden van meerdere dagen (figuur 2) laten zien dat hun omvang varieert. Het is dus waarschijnlijk dat zij het water leveren van de bron. Nu de vorm van de meren bekend is, kunnen we een schatting maken van de hoeveelheid water die ze bevatten. Hiervoor gebruiken we ArcticDEM, een vrij te gebruiken hoogtebestand van het Arctisch gebied (alles ten noorden van 60°N). Dit is gebaseerd op stereobeelden met hoge resolutie, afkomstig van DigitalGlobe-satellieten. Met deze data is het mogelijk het hoogteprofiel in de bassins te meten en kunnen we ook vaststellen dat de meren zo’n 10 meter hoger liggen dan de bron.

Hieruit is te berekenen dat de oevers van de meren een gemiddelde hellingshoek hebben van 18°. Als er een profiel wordt getekend haaks op de helling en we de intensiteitswaarden van de satellietbeelden over elkaar leggen, kunnen we de relatieve waterhoogte vaststellen.

De intensiteitswaarden worden ongeveer iedere 3 meter bepaald, vandaar dat de lijnen hoekig zijn. Maar wanneer er een boog door deze punten wordt geschat, krijg je nauwkeuriger informatie. Zo is een zijwaartse verplaatsing van de waterlijn vast te stellen van 3,8 m tussen 5 en 7 augustus, wat overeenkomt met een daling van 1,1 m in waterpeil. Verder kunnen we met ArcticDEM de oppervlakte van het meer meten: ongeveer 64 m2 . Bij elkaar is dat geen enorme hoeveelheid water, dus de gefilmde fontein moet van korte duur geweest zijn. De filmmakers van National Geographic hadden een lucky shot te pakken.

Communicerende vaten

Er valt nog meer op. Twee dagen later, op 9 augustus, is het meer zo’n 0,9 m groter. De supra-glaciale meren hebben niet zo’n groot bassin dat ze snel weer gevuld worden door water uit de omliggende gletsjer. Er moet dus iets anders aan de hand zijn. De meren zijn aangesloten op het hydrologisch systeem van de gletsjer. Water is zwaarder dan ijs en duwt zich een weg door het ijs of laat het smelten. Openingen in het ijs, zoals deze meren, functioneren als drukmeters van het hydrologisch systeem in het ijs. We meten dus niet alleen het waterniveau van een meer, maar ook de veranderingen in waterdruk onder het gletsjeroppervlak. Dit is belangrijke informatie, omdat we weinig weten van dit soort systemen. Doordat ijs dik vloeibaar is en langzaam beweegt, verandert het rivierenstelsel onder de gletsjer voortdurend. Dat deze communicerende vaten nu te meten zijn vanuit de ruimte, en te karteren op gletsjers, geeft glaciologen nieuw gereedschap. We kunnen zo hopelijk de werking van dit soort hydrologische systemen beter begrijpen.

Deze speurtocht illustreert wat er momenteel mogelijk is met aardobservatie. De toegang tot dagelijkse beelden van ons aardoppervlak biedt inzicht in allerlei processen. Vooral degene die zich snel voltrekken, kunnen we nu inventariseren en in kaart brengen. De PlanetScope-constellatie is pas deze zomer volledig operationeel en de meeste toepassingen zijn in ontwikkeling. Voor Nederland ligt hier een unieke kans, omdat de data over ons land gratis aan te vragen zijn via het satelliet-dataportaal, www.spaceoffice.nl/nl/satellietdataportaal/ruwe-data/. Zo kun je zelf kijken naar patronen in de buurt. Denk aan het ontdooien van het ijs op meren, zodat schaatsers weten wanneer ze gevaar gaan lopen. En je kunt zien wanneer de bollenvelden in bloei komen. De data en software zijn beschikbaar, nu de ideeën nog. Veel speurplezier toegewenst!

Bas Altena is momenteel onderzoeker en promoveert aan de universiteit van Oslo, waar hij gebruik maakte van satellietdata om zo een beter idee te krijgen van gletsjerdynamica. Hiervóór werkte hij aan de KU Leuven in een vakgroep gespecialiseerd in computervisie. Hij studeerde geomatics aan de TU Delft en geodesie aan de Hogeschool Utrecht.