home  > gevolgen  > zeespiegel  > zeespiegel-meetmethoden

Het meten van zeespiegelstijging

Het IPCC meet de stijging van de zeespiegel tegenwoordig met behulp van satellieten. Deze meting laat echter een bijna 2 keer zo hoge stijging zien als de traditionele getijdenmetingen aan de kust. Er is bij satellietmetingen sprake van grote onnauwkeurigheid. Voor een groot aantal verstorende invloeden is een reeks aan correcties en kalibraties noodzakelijk. Bovendien is het resultaat van deze aanpassingen veel meer de uitkomst van een modelberekening dan van een echte meting.

Het meten van de zeespiegelstijging vindt op dit moment op twee manieren plaats: getijdenmetingen (of getijmetingen) op een groot aantal plaatsen in de wereld aan de kust en satellietmetingen. De twee meetmethoden laten op dit moment heel verschillende resultaten zien. De stijging gemeten via satellieten is meer dan 2 keer zo groot als op basis van getijdenmetingen geconcludeerd kan worden. Hieronder gaan we nader in op de kenmerken van meetmethoden en op dit grote verschil.

Getijdenmetingen

peilschaal.jpg
Afbeelding 1: De eenvoudigste vorm om de zeespiegel te meten is een peilstok.
De getijdenmetingen vinden al lange tijd plaats en vanaf halverwege de 19e eeuw op een behoorlijk systematische wijze. Hierbij wordt permanent de waterhoogte op vele plaatsen in de wereld ten opzichte van het land gemeten. In zijn eenvoudigste vorm gaat het om een peilstok gemonteerd op een vast punt op land. Moderne getijmeters meten volledig automatisch en permanent de waterhoogte ten opzichte van het land.

Het nadeel van deze metingen is dat het aantal meetstations erg ongelijk verdeeld is: veel in West-Europa en Noord-Amerika, veel minder in de rest van de wereld. Dit was zeker vroeger het geval. Bovendien zijn (met uitzondering van enkele eilanden) alle meetstations aan de kust gelegen, waarmee het dekkingsgebied beperkt is. Om de absolute zeespiegelstijging of -daling te bepalen, moet gecorrigeerd worden voor de verticale beweging van het land. Zo daalt de bodem bij de Nederlandse kust ongeveer 4,5cm per eeuw. Voor de bescherming van het land is juist de ongecorrigeerde meting van belang.

Een belangrijk voordeel van de metingen is dat ze relatief simpel, transparant en nauwkeurig zijn, mits de verticale landbeweging goed bekend is. De bewegingen van het water leiden wel tot fluctuaties in de orde van 15 mm, maar deze hebben een willekeurig karakter (geen systematische fouten). De locatie van de meetstations is weliswaar een beperking, maar de stations staan wel op de plaatsen die voor de bewoners in de kustgebieden juist relevant zijn.

Een uitgebreid overzicht van alle belangrijke getijdenmetingen is te vinden op de website sealevel.info. Deze site maakt gebruik van officiële bronnen van onder andere NOAA en PSML (Permanent Service for Mean Sea Level).

Satellietmetingen

noaa-sealevel.png
Afbeelding 2: Stijging van de zeespiegel, inclusief calibraties en correcties

De satellietmetingen zijn gebaseerd op radarsatelieten die een hoogtemeting uitvoeren. Op dit moment is dat de Jason-3-satelliet. De satelliet maakt rondjes om de aarde en zendt voortdurend microgolfpulsen uit naar het zeeoppervlak. Het signaal weerkaatst op het water en aan de hand van de tijd sinds uitzending wordt de hoogte van de satelliet bepaald ten opzichte van het zeeoppervlak. Satellietmetingen zijn sinds 1992 beschikbaar en de actuele resultaten zijn zichtbaar op de website van het National Oceanic and Atmospheric Administration. De grote voordelen van metingen op basis van satellieten is dat in principe informatie wordt verkregen over een veel groter gebied en dat er geen rekening gehouden hoeft te worden met bodemdaling/stijging.

Onnauwkeurigheid van satellietmetingen

Een groot probleem is de onnauwkeurigheid van de satellietmetingen. Satellietmetingen hebben het imago zeer nauwkeurig te zijn, maar dat geldt zeker niet in dit geval. De satellieten maken gebruik van een radar die meet hoe lang het duurt voordat het uitgezonden signaal na reflectie op het zeeoppervlak weer terug is. De nauwkeurigheid en kalibratie daarvan is een uitdaging. Op de ruwe meetwaarden moeten allerlei correcties worden toegepast, zoals atmosferische vertragingen, getijden, luchtdruk, in hoogte variënde golven, de baan van de satelliet, enzovoorts. Daarbij moet bedacht worden dat de afstand van de satelliet tot het zeeoppervlak ruim 1300 kilometer is. De foutmarge van veel van deze correcties wordt gemeten in centimeters. Het resultaat is dat de onnauwkeurigheid van alle correcties veel groter is dan de afwijkingen van de zeespiegel die gemeten moeten worden. Bovendien worden nog steeds nieuwe onnauwkeurigheden geïdentificeerd.

In een reactie op kritiek op alle correcties geeft Steven Nerem van de Universiteit van Colorado een toelichting op de aanpassingen: "Satellite altimetry is somewhat unique in that many adjustments must be made to the raw range measurements to account for atmospheric delays (ionosphere, troposphere), ocean tides, variations in wave height (which can bias how the altimeter measures sea level), and a variety of other effects. In addition, the sea level measurements can be affected by the method used to process the altimeter waveforms, and by the techniques and data used to compute the orbit of the satellite. Early releases of the satellite Geophysical Data Records (GDRs) often contain errors in the raw measurements, the measurement corrections, and the orbit estimates that are later corrected through an on-going calibration/validation process defined by the T/P and Jason Science Working Team." Nederlands"Satellietaltimetrie is enigszins uniek in die zin dat veel aanpassingen moeten worden gedaan aan de ruwe metingen om rekening te houden met atmosferische vertragingen (ionosfeer, troposfeer), oceaangetijden, variaties in golfhoogte (waarmee kan worden voorspeld hoe de hoogtemeter de zeespiegel meet) en een verscheidenheid aan andere effecten. Bovendien kunnen de zeespiegelmetingen worden beïnvloed door de methode die wordt gebruikt om de hoogte van golven te verwerken, en door de technieken en gegevens die worden gebruikt om de baan van de satelliet te berekenen. Vroege versies van de Geophysical Data Records (GDR's van de satellieten) bevatten vaak fouten in de onbewerkte metingen, de meetcorrecties en de orbitschattingen die later worden gecorrigeerd via een voortdurend kalibratie/validatieproces gedefinieerd door het T/P en Jason Science Working Team."

Voor buitenstaanders zijn dit soort correcties moeilijk te beoordelen. Het is ook niet duidelijk of het om willekeurige fouten gaat die op termijn uitmiddelen, of dat het systematische fouten zijn. In zijn presentatie op YouTube (vanaf 17.37) schetst Willie Soon van het Harvard Center for Astrophysics in Californië de grote problemen om nauwkeurige satellietmetingen te verrichten. Ook Judith Curry gaat in haar onderzoek Sea Level and Climate Change hier uitgebreid op in. Verder is er bij satellietmetingen maar één bron van informatie, terwijl er van de kuststations enkele honderden zijn. Een afwijkende meetwaarde kan daarmee snel worden opgemerkt.

Deltares stelt in haar rapport over de satellietmetingen:

"Door het ontbreken van een absolute aansluiting aan het begin van de meting, de korte periode waarvoor de gegevens beschikbaar zijn, de beperkte kwaliteit bij de kust, de hogere meetfout en lagere meetfrequentie maken de satellietgegevens een minder geschikte bron om de huidige zeespiegelstijging uit af te leiden."

Kalibraties

Een nog groter probleem is, dat het niet alleen technische correcties gaat bij het verkrijgen van bruikbare satellietmetingen. Met name prof. Nils-Axel Mörner, voormalig hoofd van het Paleogeophysics and Geodynamics Institute in Stockholm, heeft met name op de kalibraties fundamentele kritiek geuit. Mörner werd in zijn kritiek gesteund door INQUA Commission on Sea Level Changes and Coastal Evolution.

Zijn punt wordt helder als we kijken naar de oorspronkelijke meetresulaten van de periode 1993 tot en met 1999. Deze resultaten zijn hieronder (afbeelding 3) weergegeven zoals gepresenteerd in 2000. Te zien is dat er een spreiding is van 5 tot 10 millimeter, maar wat vooral opvalt dat er afgezien van El Niño-pieken rond 1997/98 er vrijwel geen stijging te zien is.



Zeespiegelmetingen op basis van de TOPEX-satelliet voordat kalibraties zijn toegepast
Afbeelding 3: Zeespiegelmetingen op basis van de TOPEX-satelliet voordat kalibraties zijn toegepast
Zeespiegelmetingen op basis van de TOPEX-satelliet nadat kalibraties zijn toegepast
Afbeelding 4: Zeespiegelmetingen op basis van de TOPEX-satelliet nadat kalibraties zijn toegepast

De tweede grafiek (afbeelding 4) is uit 2003. Hier laten dezelfde metingen plotseling een stijging zien van 2,3 mm per jaar. De stijgende lijn is het gevolg van een extra kalibratie die volgens de makers nodig was op basis van een verondersteld basis-stijgingsniveau van 1,8 mm per jaar, dat verkregen is van getijdenmetingen. Het betekent dus dat de gepresenteerde stijging niet uit de metingen volgt, maar het resultaat is van veronderstellingen (nog los van de vraag of dit niveau van 1,8 mm per jaar correct is).

Een vergelijkbare aanpassing van de meetgegevens is doorgevoerd bij de waarnemingen van de Envisat-satelliet. Envisat was een milieu-satelliet van ESA die van 20012 tot april 2012 metingen van de zeespiegelhoogte heeft uitgevoerd. De aanvankelijke resultaten op basis van technische correcties zijn te zien in de linker grafiek. In 2012 zijn de resultaten aangepast en is een stijging te zien.

Zeespiegelmetingen op basis van de Envisat-satelliet op 6 april 2012, voordat kalibraties zijn toegepast
Afbeelding 5: Zeespiegelmetingen op basis van de Envisat-satelliet op 6 april 2012, voordat kalibraties zijn toegepast
Zeespiegelmetingen op basis van de Envisat-satelliet op 10 april 2012, nadat kalibraties zijn toegepast
Afbeelding 6: Zeespiegelmetingen op basis van de Envisat-satelliet op 10 april 2012, nadat kalibraties zijn toegepast

Naast de kalibratie op basis van de getijdenmetingen is nog een serie aan andere kalibraties/correcties doorgevoerd, die uiteindelijk resulteren in een stijging van circa 3 mm per jaar. Het gaat hierbij om een stijging die niet of nauwelijkse zichtbaar is na alle technisch noodzakelijke correcties, maar het resultaat is van modelmatige aanpassingen.

Een derde voorbeeld waaruit blijkt dat satellietmetingen van zichzelf geen stijging van de zeespiegel laten zien, is het Grace-project. Het 'Gravity Recovery and Climate Experiment' (“Zwaartekracht- en klimaatexperiment", Grace) is een gezamenlijk Amerikaans-Duits wetenschappelijk ruimtevaartproject. Twee satellieten die met elkaar in verbinding staan, meten de geringste variaties in het zwaartekrachtsveld van de aarde. Daarmee komt ook informatie beschikbaar over de zeespiegelstijging. Op basis van de directe metingen blijkt dat er gemiddeld over de hele wereld geen sprake is van zeespiegelstijging. Zoals Peltier het in zijn studie in 2009 formuleerde: "Insofar as the raw data is concerned, when the integral is performed over the entire area of the global ocean, not only is there no increase of mass inferred to be occurring but the amount of mass contained within these basins is actually inferred to be decreasing!" Nederlands"Wat betreft de onbewerkte gegevens, wanneer gekeken wordt naar het gehele gebied van de mondiale oceaan, is er niet alleen geen toename van de massa zoals verondersteld, maar de hoeveelheid massa in deze bassins blijkt zelfs af te nemen!". Ook in het geval van Grace vinden er extra correcties plaats om uiteindelijk toch een stijging van de zeespiegel te laten zien.

Modelberekeningen als meting

morner-statement.png
Afbeelding 7: Volgens Mörner is na het doorvoeren van technische correcties vrijwel geen stijging van de zeespiegel waar te nemen. Pas na arbitraire 'kalibraties' is een stijging van ongeveer 3 mm/jaar te zien
In alle drie de voorbeelden laten de ruwe satellietgegevens geen of slechts een kleine stijging van de zeespiegel zien. Pas na de ‘kalibratie’ is de grote stijging zichtbaar. Mörner is van mening dat een deel van de aanpassingen een subjectief karakter heeft en slechts het resultaat is van computermodellen: "So all this talk that sea level is rising, this stems from the computer modelling, not from observations. The observations don’t find it!" Nederlands"Dus al dat gepraat dat de zeespiegel stijgt, komt van de computermodellering, niet van observaties. De observaties laten het niet zien!". Ook Alan Parker van de James Cook University concludeert in zijn onderzoek uit 2014: “The net effect of their procedure is to transform observational results into modelled results” Nederlands“Het netto-effect van hun aanpak is om observaties om te zetten in gemodelleerde resultaten”.

Op zich is het kalibreren een gebruikelijke stap, waarbij je de verkregen meetwaarden van een nieuwe meetmethode vergelijkt met die van een andere meetmethode waarvan de nauwkeurigheid bekend is. Hiermee is het mogelijk de afwijkingen van de nieuwe meetmethode vast te stellen. Het is echter heel opmerkelijk als een dergelijke kalibratie leidt tot een in de tijd stijgende lijn, waar deze aanvankelijk vlak of vrijwel vlak was. Dat betekent kennelijk dat de kalibratie afhankelijk is van het tijdstip waarop de meting plaatsvindt.

Uit de hierboven vermelde reactie van Nerem et al. op kritiek van Mörner blijkt ook dat het niet alleen om een kalibratie gaat. Hij spreekt over "..een on-going calibration/validation process defined by the T/P and Jason Science Working Team." Nederlands"..een voortdurend kalibratie/validatieproces gedefinieerd door het T/P en Jason Science Working Team." Dat laat zien dat ook eerdere resultaten voortdurend ('on-going') aangepast kunnen worden op basis van de inzichten van het 'Working Team'. Hij bevestigt daarmee dat de uitkomst van de meting het resultaat is van een arbitraire en niet-transparante correcties. Veelzeggend is ook de conclusie uit het onderzoek van Chambers uit 2003, dat heeft geleid tot een verdere bijstelling naar boven van de gemiddelde zeespiegelstijging. Chambers heeft in dit onderzoek een zogenaamd sea state bias model verbeterd om verschillen in reflectie van de radarpuls door golven op zee beter te corrigeren. Hij schrijft hierover: "The application of this improved model will increase the rate of observed global mean sea level rise from 1.7 mm/year when the original TOPEX data are used to 2.8 mm/year when the updated SSB models are applied." Nederlands"De toepassing van dit verbeterde model verhoogt de waargenomen wereldwijde gemiddelde zeespiegelstijging van 1,7 mm/jaar op basis van de originele TOPEX-gegevens, tot 2,8 mm/jaar wanneer de bijgewerkte SSB-modellen worden toegepast."

Het komt er dus op neer dat historische meetresultaten naar boven worden bijgesteld op basis van een wetenschappelijk model. Het is ongetwijfeld zo dat dit soort verbeteringen weloverwogen zijn, maar de uitkomst is niet het resultaat is van een objectieve meting of een kalibratie, maar het is het resultaat van een modelberekening. Op zich kunnen dergelijke modelberekeningen heel zinvol zijn, maar de uitkomsten worden hier gepresenteerd alsof ze het resultaat zijn van een objectieve meting.

Satelliet of getijdenmetingen?

Bij het gebruik van satellietmetingen voor het bepalen van de stijging van de mondiale zeespiegelstijging is in meer dan een opzicht problematisch.

  • Het is duidelijk dat de onnauwkeurigheid door allerlei oorzaken groot is ten opzichte van de vereiste nauwkeurigheid. In dit verband wordt ook wel gesproken van een computational hybris, oftwel computer-hoogmoed. Het gaat hierbij om een buitensporig en ongerechtvaardigd vertrouwen in de kracht van geavanceerde computers en modellen om zeer nauwkeurige en uiterst precieze resultaten te produceren uit relatief onnauwkeurige en onnauwkeurige, zeer onzekere gegevens. Terwijl Nasa de jaarlijkse zeespiegelstijging presenteert met een nauwkeurigheid van 0,1 mm, hebben de onderliggende gegevens een onnauwkeurigheid in de orde van centimeters, meer dan 100 keer groter. De resultaten van alle correcties en berekeningen lijken op het oog interessant en gedetailleerd, maar leveren feitelijk een schijnnauwkeurigheid gebaseerd op onzekere technieken, methoden en gegevens.
  • Een nog fundamenteler probleem is dat het feitelijk niet gaat om experimentele metingen, maar om simulaties op basis van een model. Op zich is het gebruik van (computer)modellen een zinvol en geaccepteerd onderdeel van de wetenschappelijke methode, maar daarbij is het belangrijk om te onderkennen dat een model onderdeel is van de hypothese of theorie. Een model vormt een voorstelling van de werkelijkheid gebaseerd op allerlei veronderstellingen, dat nog getoetst moet worden op basis van experimenten. Het probleem bij het meten van de zeespiegelstijging is dat het model onderdeel is gemaakt van het experiment en de meting. In plaats van het toetsen van het model op basis van echte metingen, wordt de doorrekening van een hypothetisch model gepresenteerd als de uitkomst van een meting.

Zoals eerder aangegeven, meten satellieten en getijdenmeters op verschillende plaatsen. Dit kan aanvankelijke verschillen in meetresultaten verklaren. Maar nu getijdenmetingen en satellietmetingen al vele jaren zulke grote verschillen laten zien, wordt het steeds duidelijker dat satellietmetingen een onjuist beeld geven van de veronderstelde zeespiegelstijging. Het is een beetje zoals Richard Feynman het heeft geformuleerd: “It doesn’t matter how beautiful your theory is, it doesn’t matter how smart you are. If it doesn’t agree with experiment, it’s wrong” Nederlands“Het maakt niet uit hoe mooi je theorie is, het maakt niet uit hoe slim je bent. Als het niet overeenkomt met het experiment, is het verkeerd”.