Belgische wetenschappers ontwikkelen nieuwe methode om sneeuwdiepte in de bergen te meten

De dikte van de sneeuwlaag in bergketens meten met behulp van satellieten: tot voor kort werd het onmogelijk geacht. Belgische onderzoekers bewijzen in Nature Communications dat het wel kan. En nog nauwkeurig ook.

‘Hoeveel sneeuw er precies in berggebieden ligt, was tot nog toe heel onzeker’, zegt hoofdonderzoeker Hans Lievens (Departement Aard- en Omgevingswetenschappen, KU Leuven). ‘Nochtans is die informatie van cruciaal belang. Smeltende sneeuw levert drinkwater aan naar schatting meer dan een miljard mensen en levert het irrigatiewater voor ongeveer driekwart van de landbouw in het westen van de VS. Het is de belangrijkste bron van water voor de productie van waterkrachtenergie. Sneeuw heeft ook op ons klimaat een belangrijke invloed: door een sterke weerkaatsing van het zonlicht zorgt sneeuw voor een globale koeling.’

Om de sneeuwdiepte in berggebieden te bepalen, gebruikten de onderzoekers radarmetingen van Sentinel-1, een satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. ‘Meer sneeuw zorgt voor een sterkere terugkaatsing’, legt Lievens uit. ‘Of, nauwkeuriger: voor een sterkere depolarisatie. De sneeuwkristallen veranderen het vlak waarin de radargolven trillen. Uit de veranderingen in het teruggekaatste signaal kunnen we de dikte van de sneeuw afleiden.’

Elektromagnetische golven bestaan uit elektrische en magnetische velden die loodrecht trillen op de richting waarin de golven zich bewegen. Met een filter kan je ervoor zorgen dat ze enkel nog in één richting trillen, bijvoorbeeld verticaal of horizontaal. ‘De satelliet zendt verticaal gepolariseerde golven uit’, legt Lievens uit. ‘Door weerkaatsing op de sneeuwdeeltjes verandert die oriëntatie. Meer sneeuw geeft meer terugkaatsing van horizontaal gepolariseerde golven. De verhouding tussen het verticale en horizontale teruggekaatste signaal geeft ons informatie over de sneeuwdikte.’

De ESA-satelliet Sentinel-1.

De onderzoekers vergeleken hun resultaten met precieze metingen van sneeuwdieptes op vierduizend locaties overal ter wereld. ‘De gemiddelde fout in onze schattingen schommelt tussen de 15 en 30 centimeter’, zegt Lievens. ‘Dat lijkt veel, maar als je weet dat er vaak meters diepe sneeuw ligt, valt dat goed mee.’

Geen alternatief

De methode van de Leuvense onderzoekers is zeer welkom, want er is niet meteen een goed alternatief. ‘De nauwkeurigste methode om sneeuwdiepte te meten – met een foutenmarge van circa 10 centimeter – is op dit moment wellicht lidar’, zegt Lievens. ‘Die techniek maakt gebruik van de afstand tussen een sensor op een vliegtuig en de grond. Uit metingen met en zonder sneeuw kan je dan de dikte van de sneeuwlaag afleiden. Maar die methode is duur en niet geschikt voor grote oppervlakken.’

‘Een populaire techniek buiten berggebieden maakt gebruik van zogenoemde passieve microgolven’, gaat Lievens verder. ‘Een satelliet meet dan de straling die de aarde van nature uitstuurt. Hoe meer sneeuw, hoe meer straling er onderweg geabsorbeerd wordt. Doordat dit enkel met een erg grove resolutie kan – pakweg 25 bij 25 kilometer – en het signaal vanaf 80 centimeter sneeuw nauwelijks nog verandert, is die methode echter ongeschikt in berggebieden, waar de sneew vaak veel dikker ligt en er grote ruimtelijke verschillen kunnen zijn.’ Doordat de Leuvense onderzoekers actief door de satelliet uitgezonden microgolven gebruiken, is de resolutie hoger en kunnen ze dikkere sneeuwlagen meten.

De onderzoekers maten de sneeuwdikte onder meer in de Alpen.

Onbruikbaar verklaard

Met hun onderzoek volgden de Belgische wetenschappers een spoor dat eerder al onsuccesvol werd bewandeld. ‘In de jaren 1990 zijn enkele pogingen ondernomen om met satellieten de sneeuwdikte te meten’, zegt Lievens. ‘Zonder succes. Die maakten wel geen gebruik van de verandering in polarisatie. De oudere satellieten waren daar niet voor ontworpen, en toen het wel kon, lag de focus op onderzoek naar andere meetmethodes. Dus werd de techniek onbruikbaar verklaard.’

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA is bij het onderzoek betrokken. In 2017 deed Lievens voor de NASA onderzoek naar bodemvochtmetingen. Het was toen dat hij op het idee kwam om toch eens in satellietdata te snuisteren. ‘De NASA wil op termijn een satelliet lanceren die erg nauwkeurige sneeuwdiktemetingen kan uitvoeren, maar dat kan makkelijk nog tien jaar duren. Tot het zover is, lijkt onze techniek de beste optie.’