De grootste pluviometer van België? De gravimeter!

Voor het eerst vergelijken wetenschappers van de Koninklijke Sterrenwacht van België en het Koninklijk Meteorologisch Instituut de gegevens van een meteorologische radar met die van een zwaartekrachtmeter (een gravimeter). In een gezamenlijke studie gepubliceerd in het tijdschrift Hydrology and Earth System Sciences hebben ze aangetoond dat een supergeleidende gravimeter evengoed neerslaghoeveelheden kan detecteren als een gigantische pluviometer met een straal van 400 m. Dit instrument is daarom een nieuwe bron voor de waarneming van ter plekke gevallen neerslag en kan dus gebruikt worden voor de validatie van neerslagobservaties door meteorologische instrumenten.

Aan de rand van het plateau van de Hoge Venen zweeft er al meer dan 23 jaar een metalen bol zo groot als een pingpongbal in een magnetisch veld op 48 m diepte. Hierbij detecteert dit instrument de kleinste variaties in de zwaartekracht. 85 km verder, in de provincie Luxemburg, bevindt er zich op de top van een 46 meter hoge toren een bol met een diameter van 7 meter. De bol herbergt een schotelantenne die al meer dan 17 jaar continu de horizon afspeurt naar neerslag in een straal van 250 km. Deze twee instrumenten, de supergeleidende gravimeter van de Koninklijke Sterrenwacht van België en de weerradar van Wideumont van het Koninklijk Meteorologisch Instituut, liggen aan de basis van een opmerkelijke studie die door de twee instituten gezamenlijk werd uitgevoerd.

Links: De supergeleidende gravimeter van Membach. Rechts: Detailtekening van de sensor met de zwevende bol. Foto links: E. Coveliers

Links: De supergeleidende gravimeter van Membach. Rechts: Detailtekening van de sensor met de zwevende bol. Foto links: E. Coveliers

In België heeft zwaartekracht (g) een waarde van bijna 9,81 m / s². Deze waarde is voornamelijk te danken aan de aantrekkingskracht van de aarde. De zwaartekracht is echter niet constant: lichte variaties worden veroorzaakt door de getijdekrachten die een gevolg zijn van de relatieve bewegingen van de zon en de maan. Ook worden klimatologische variaties waargenomen. Tijdens het afwisselen van de seizoenen varieert de hoeveelheid water die in de grond aanwezig is. In de winter verhogen goedgevulde ondergrondse watertafels de massa van de aarde en vergroten ze de zwaartekracht op het oppervlak.

De locaties van de weerradar en de gravimeter.

Deze variaties, in de orde van een miljardste van g, zijn extreem klein, maar ontsnappen niet aan de waakzaamheid van de gravimeter. Geofysici weten al lang dat de zwaartekracht beïnvloed wordt door neerslagvullende grondwatertafelvariaties. Studies die de impact op de zwaartekracht bestuderen van zeer intense neerslag, bv. regen of hagel geproduceerd in enkele minuten door hevig onweer, zijn echter schaars. Nooit eerder zijn metingen van een gravimeter vergeleken met die van een weerradar.

De weerradar van Wideumont

Een weerradar zendt elektromagnetische golven uit die bij neerslag weerkaatst worden door waterdruppels, hagelstenen of sneeuwvlokken. Met de teruggekeerde informatie leidt de radar de locatie en de intensiteit van de neerslag af. Door de metingen van verschillende weerradars in België te combineren, kan er elke 5 minuten een gedetailleerd neerslagbeeld voor heel België worden gegenereerd.

Onderstaande animatie toont radarmetingen van een onweerscomplex dat over België trok op 24 juli 2017. Tussen 13 en 14 uur die dag werd er door de radar zeer intense neerslag waargenomen in Membach. Het zwarte kruisje toont de locatie van de gravimeter in Membach.

In onderstaande figuur wordt de evolutie van de zwaartekracht, gemeten door de gravimeter, getoond. De middelste grafiek van de figuur toont de neerslagintensiteit op de locatie van de gravimeter in Membach geregistreerd door de radar. Het overtrekken van het onweer met de bijhorende neerslag over de gravimeter ging gepaard met een snelle afname van de zwaartekracht. Waarom? Simpelweg omdat de neerslag zich ophoopt op het aardoppervlak en zo het gewicht van de aardmassa boven de gravimeter verhoogt. De zwaartekrachtvariaties laten toe om de massa van het verzamelde water en daarmee de hoeveelheid neerslag te meten en te wegen. De onderste grafiek van de figuur toont dat zowel de gravimeter als de radar de geaccumuleerde neerslag doorheen de dag (22 mm in totaal) zeer accuraat kunnen meten en een grote overeenkomst tonen

Verloop van de zwaartekracht gemeten in Membach (bovenaan). Gemeten neerslagintensiteit op deze locatie met de weerradar (midden). Geaccumuleerde neerslaghoeveelheid (onderaan) gemeten door gravimeter (blauw) en radar (rood). Hoewel het meetprincipe van beide instrumenten totaal verschillend is, komen de metingen verbazingwekkend goed overeen.

De gegevens van beide instrumenten werden geanalyseerd voor de periode van 2003 tot 2017, waarbij er meer dan 500 periodes met intense neerslag werden geïdentificeerd. De resultaten tonen aan dat de gravimeter waardevol is voor het schatten van geaccumuleerde neerslaghoeveelheden over een groot gebied. Het instrument registreert - net zoals een gigantische pluviometer - het gewicht van de gevallen neerslag in een straal van 400 m rond zijn locatie. Bovendien is deze schatting onafhankelijk van de toestand van de neerslag: zowel regen, hagel als sneeuw worden op exact identieke manier gedetecteerd. De gravimeter is daarom een nieuwe interessante bron voor de waarneming van ter plekke gevallen neerslag en kan dus gebruikt worden voor de validatie van neerslagobservaties door teledetectie-instrumenten zoals weerradars en meteorologische satellieten. Neerslagmetingen zijn essentieel voor het valideren en het verfijnen van weersvoorspellingen, maar ook voor het bestuderen van de impact van de klimaatverandering op de hydrologische cyclus.

De resultaten van deze studie zijn recent gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Hydrology and Earth System Sciences van de European Geosciences Union (Delobbe, L., Watlet, A., Wilfert, S., Van Camp, M., Exploring the use of underground gravity monitoring to evaluate radar estimates of heavy rainfall, Hydrology and Earth System Sciences vol. 23 pp. 93-105 (2019). 10.5194/hess-23-93-2019.)

 

Voor meer informatie:

- het wetenschappelijke artikel van de volledige studie (in het Engels)
- een artikel over de gravimeter van Membach in het tijdschrift EOS (in het Engels)
- de weerradars van het KMI
- de beelden van de weerradar in real-time op de website van het KMI of in de KMI-app