SWOT-satelliet detecteert voor het eerst grootschalige riviergolven

De SWOT-satelliet helpt wetenschappers bij het in kaart brengen van overstromingsgolven op waterwegen zoals de Yellowstone River, hier afgebeeld in oktober 2024 in Montana. SWOT meet de hoogte van oppervlaktewateren, waaronder de oceaan, en honderden duizenden rivieren, meren en reservoirs alleen al in de VS.

Voor het eerst hebben onderzoekers van NASA en Virginia Tech satellietgegevens gebruikt om de hoogte en snelheid van potentieel gevaarlijke overstromingsgolven die langs Amerikaanse rivieren bewegen te meten. De drie golven die ze volgden, werden waarschijnlijk veroorzaakt door extreme regenval en een losgeraakte ijsdam.

Hoewel er momenteel geen database bestaat die satellietgegevens over rivieroverstromingsgolven verzamelt, benadrukt de nieuwe studie het potentieel van ruimte-gebaseerde waarnemingen om hydrologen en ingenieurs te helpen, vooral degenen die werken in gemeenschappen langs rivieren met beperkte overstromingsbeheersingsstructuren zoals dijken en overstromingssluisjes.

In tegenstelling tot oceaangolven, die gewoonlijk door wind en getijden worden aangedreven en gestaag naar de kust rollen, zijn riviergolven (ook wel overstromings- of stroomgolven genoemd) tijdelijke uitbarstingen die zich over tientallen tot honderden mijlen uitstrekken. Gewoonlijk veroorzaakt door regenval of seizoensgebonden sneeuwsmelting, zijn ze essentieel voor het transporteren van voedingsstoffen en organismen langs een rivier. Maar ze kunnen ook gevaarlijk zijn: Extreme riviergolven die worden veroorzaakt door langdurige neerslag of een dambreuk kunnen overstromingen veroorzaken.

“Oceaangolven zijn bekend van surfen en zeilen, maar rivieren zijn de aderen van de planeet. We willen hun dynamiek begrijpen,” zei Cedric David, een hydrologe bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië en co-auteur van een nieuwe studie gepubliceerd op 14 mei in Geophysical Research Letters.

Het meten van snelheid en omvang

Om naar riviergolven te zoeken voor haar doctoraatsonderzoek, wendde hoofdschrijver Hana Thurman van Virginia Tech zich tot een ruimtevaartuig dat in 2022 werd gelanceerd. De SWOT (Surface Water and Ocean Topography) satelliet is een samenwerking tussen NASA en het Franse ruimteagentschap CNES (Centre National d’Études Spatiales). Het onderzoekt de hoogte van bijna al het oppervlaktewater op aarde, zowel zoet als zout, met behulp van zijn gevoelige Ka-band Radar Interferometer (KaRIn). Het instrument brengt de hoogte en breedte van waterlichamen in kaart door microgolven van het oppervlak terug te kaatsen en te timen hoe lang het signaal nodig heeft om terug te keren.

“Naast het monitoren van de totale opslag van water in meren en rivieren, focussen we ons op de dynamiek en impact van waterbeweging en -verandering,” zei Nadya Vinogradova Shiffer, SWOT-programma wetenschapper bij NASA Hoofdkantoor in Washington.

Thurman wist dat SWOT wetenschappers had geholpen bij het volgen van stijgende zeespiegels nabij de kust, het spotten van tsunami-golven en het in kaart brengen van de zeebodem, maar kon ze rivierhoogte-anomalieën in de gegevens identificeren die wijzen op een bewegende golf?

Ze ontdekte dat de missie drie duidelijke voorbeelden van riviergolven had vastgelegd, waaronder één die abrupt ontstond op de Yellowstone River in Montana in april 2023. Terwijl de satelliet bovenlangs vloog, observeerde het een piek van 2,8 meter hoog die zich richting de Missouri River in North Dakota bewoog. Het was verdeeld in een dramatische piek van 11 kilometer lang, gevolgd door een langere staart. Deze details zijn spannend om vanuit de ruimte te zien en illustreren de unieke hoge ruimtelijke resolutie van het KaRIn-instrument, zei Thurman.

Door optische beelden van de Sentinel-2-satelliet van het gebied te onderzoeken, concludeerde ze dat de golf waarschijnlijk het gevolg was van een ijsdam die stroomopwaarts uit elkaar viel en opgesloten water vrijgaf.

De andere twee riviergolven die Thurman en het team vonden, werden veroorzaakt door regenval. Eén, waargenomen door SWOT vanaf 25 januari 2024 op de Colorado River ten zuiden van Austin, Texas, was geassocieerd met de grootste overstroming van het jaar in dat gedeelte van de rivier. Met een hoogte van meer dan 9 meter en een lengte van 267 kilometer, beweegde het zich ongeveer 1,07 meter per seconde voort over meer dan 400 kilometer voordat het in Matagorda Bay terechtkwam.

De andere golf ontstond op de Ocmulgee River nabij Macon, Georgia, in maart 2024. Met een hoogte van meer dan 6 meter en een lengte van meer dan 165 kilometer, bewoog het zich ongeveer 0,33 meter per seconde voor meer dan 200 kilometer.

“We leren meer over de vorm en snelheid van stroomgolven, en hoe ze veranderen langs lange stukken rivier,” zei Thurman. “Dat kan ons helpen vragen te beantwoorden zoals ‘Hoe snel kan een overstroming hier zijn en is de infrastructuur in gevaar?’”

Aanvullende waarnemingen

Ingenieurs en waterbeheerders die riviergolven meten, hebben lange tijd vertrouwd op meetstations, die de waterhoogte registreren en de afvoer op vaste punten langs een rivier schatten. In de Verenigde Staten worden meetnetwerken onderhouden door instanties, waaronder de U.S. Geological Survey. Ze zijn schaarser in andere delen van de wereld.

“Satellietgegevens zijn aanvullend omdat ze kunnen helpen de hiaten op te vullen,” zei studie-supervisor George Allen, een hydrologe en expert in remote sensing aan Virginia Tech.

Als meetstations te vergelijken zijn met tolpoorten die auto’s registreren terwijl ze passeren, is SWOT als een verkeershelikopter die snapshots van de snelweg maakt.

De golfsnelheden die SWOT hielp bepalen, waren vergelijkbaar met die berekend met alleen de meetgegevens, zei Allen, wat aantoont hoe de satelliet kan helpen bij het monitoren van golven in rivierbekkens zonder meetstations. Weten waar en waarom riviergolven zich ontwikkelen, kan wetenschappers helpen bij het volgen van veranderende overstromingspatronen over de hele wereld.

SWOT, die meerdere keren per dag de aarde omcirkelt, wordt verwacht dat het ongeveer 55% van grootschalige overstromingen op een bepaald moment in hun levenscyclus waarneemt.

“Als we iets in de gegevens zien, kunnen we iets zeggen,” zei David over het potentieel van SWOT om gevaarlijke overstromingen in de maak te signaleren. “Lang hebben we aan de oevers van onze rivieren gestaan, maar we hebben ze nooit zo gezien als nu.”