Altimetrisatellittene måler sin egen høyde over havet

Måleprinsippet som benyttes for å måle havnivået er enkelt: Satellitter sender radarpulser mot jorda som havoverflata reflekterer tilbake. Ved å måle tiden radarpulsene bruker på rundturen, kan avstanden ned til havoverflata beregnes. Dersom satellittens egen høyde er kjent, er det også mulig å beregne havoverflatas høyde ved å trekke den målte avstanden fra satellittens høyde. Dette kalles satellittaltimetri og måleteknikken har en lang rekke anvendelser.

Eksempler er overvåkning av vannstand i innsjøer og elver, kartlegging av havstrømmer og tidevann samt observasjon av endringer i isbreers høyde og utbredelse. Likevel er altimetrisatellittenes viktigste oppgave å overvåke havnivået.

Satellittmålingene må påføres korreksjoner

Selv om vi forventer at konsekvensene av økt havnivå i framtiden vil være store, er dagens havnivåendringer bare noen få millimeter per år. Slike små endringer er svært krevende å observere, selv med satellitter. Dette skyldes blant annet at prosesser i havet, atmosfæren og på landjorda forstyrrer målingene. Vi må derfor påføre en rekke korreksjoner før målingene kan brukes til å kartlegge hvor raskt havet stiger.

Viktigst er korreksjonene for tidevann, tidejord og varierende lufttrykk. Tidevann er et velkjent fenomen som oppstår som følge av gravitasjonskreftene fra måne og sol. Disse kreftene er i stand til å endre vannstanden med flere meter gjennom et døgn. Tidekreftene virker også på den faste jorda slik at den hever og senker seg med opp til 50 cm gjennom et døgn. Ved å bruke globale tidevannsmodeller, kan disse effektene beregnes og satellittmålingene korrigeres.

Lufttrykket påvirker havnivået ved at vann fordrives fra høytrykksområder og strømmer mot lavtrykksområder. Som en tommelfingerregel gjelder at en millibar endring i lufttrykket endrer havnivået med en centimeter. Også denne effekten kan beregnes dersom lufttrykket er kjent fra en global meteorologisk modell.

Avstandmålingene fra satellittene må også påføres korreksjoner fordi atmosfæren bremser radarsignalet og bølgedalene på havet har en tendens til å reflektere radarpulsen bedre enn bølgetoppene. Dersom vi ikke korrigerer for disse effektene, vil de målte avstandene bli systematisk for lange.

Satellittbanenes nøyaktighet er avgjørende

Nøyaktige avstandsmålinger er av liten nytte uten nøyaktige satellittbaner. En feil i satellittens høyde vil forplante seg direkte til havoverflatas beregnede høyde. Satellittbanene må derfor bestemmes med ekstrem nøyaktighet. Ved hjelp av blant annet GPS, kan vi i dag bestemme satellittenes høyde med 1-2 cm nøyaktighet. Dette er imponerende med tanke på at altimetrisatellittene beveger seg ca 7 km per sekund i sin bane rundt jorda.

Havet har steget med 3,4 mm hvert år siden 1992

Altimetrisatellittene trenger fra 10 til 35 dager for å måle opp verdenshavene en gang. Fra hver oppmåling foreligger flere millioner observasjoner og det globale havnivået beregnes som et gjennomsnitt av disse. Over tid danner gjennomsnittene en tidsserie som den illustrert i figur 1. Analyse av måleserien viser at havnivået i gjennomsnitt har steget med 3.1 mm per år fra 1992 og fram til i dag. Estimatets usikkerhet er ca 0.6 mm/år (90 % konfidensintervall) og inkluderer usikkerhet i både avstandsmålinger og korreksjoner (Ablain et al. 2009).

Den beregnede havstigningsraten er ikke et direkte mål på hvor mye vannmengden i havet har endret seg. Dette har sammenheng med at havbassengenes volum også øker med tiden. Dette er en effekt av landheving etter historiske istider (isostasi) og påvirker det globale havnivået med ca 0,3 mm/år (Peltier, 2009). Korrigerer vi også for denne prosessen, har havnivået steget med 3.4 mm/år. Dette er dobbelt så raskt som trenden beregnet fra vannstandsmålere for perioden 1901 til 2010 (Church et al. 2013). For å sette tallene i perspektiv; 1 mm havstigning tilsvarer at ca 360 milliarder tonn is smelter og renner ut i havet (Shepherd et al. 2012).

FIGUR 1: Tidsserien er satt sammen av data fra de fire satellittene TOPEX/POSEIDON (rød), Jason-1 (blå), OSTM/Jason-2 (grønn) og Jason-3 (gul). Den svarte linjen viser havnivåets gjennomsnittlige trend (sesongvariasjoner er fjernet fra observasjonene). Kilde: Kartverket

Havstigningen er ikke konstant

Satellittmålingene viser at havnivåendringene for kortere perioder kan stoppe opp slik at havnivået er stabilt eller faktisk synker. Blant annet er det en tydelig nedgang i perioden 2010 til 2011. Denne pausen skyldtes at vann som normalt befinner seg i havet var bundet opp i vannreservoarer på land. Årsaken til dette var en kraftig La Niña som forstyrret det globale nedbørsmønsteret (Boening et al. 2012). Tilsvarende rask stigning finner vi i årene 2015 og 2016 som følge av en kraftig El Niño. Dette er naturlige variasjoner i klimasystemet som kommer i tillegg til den gjennomsnittlige trenden målt over lang tid.

Dersom vi analyserer hver av altimetrisatellittens observasjonspunkter individuelt, framkommer havnivåendringenes regionale variasjoner (se figur 2). Havnivået stiger raskest i Det Indiske hav og vest i Stillehavet. Her har havnivået steget med opptil en centimeter i året, noe som er nesten tre ganger det globale gjennomsnittet. Øst i Stillehavet langs kysten av Sør-Amerika derimot, har havnivået steget mindre enn det globale gjennomsnittet.

FIGUR 2: Lokale havstigningsrater observert med TOPEX/POSEIDON, Jason-1, OSTM/Jason-2 og Jason-3 fra desember 1992 til august 2017. Kilde: Kartverket

Satellittene måler havnivået i forhold til referanserammen

Altimetrisatellittene måler havoverflatas høyde i forhold til en geodetisk referanseramme. Dette er et koordinatsystem med origo plassert i jordsystemets massesenter. Vannstandsmålere på landjorda gjør derimot målinger av havnivået i forhold til landjorda. I Norge vil satellittmålingene kunne avvike betydelig fra bakkemålingene siden de sistnevnte er påvirket av landheving. For eksempel viser vannstandsmåleren i Oslo at havnivået de siste tretti årene har sunket med -1.5±1.0 mm/år målt i forhold til landjorda (Breili et al. 2017). Samtidig viser målinger med GPS og nivellement at Oslo stiger med 5.1 mm/år målt i forhold til referanserammen. Dersom vi korrigerer vannstandsmåleren for landheving, finner vi at havnivået i Oslo har steget med 3.6 mm/år i forhold til referanserammen. Dette harmonerer godt med altimetrisatellittene som måler at havnivået langs Norskekysten har steget med 3 til 4 mm/år .

Kontroll av målesystemet

Altimetrisatellittene utgjør et komplekst målesystem og overvåkes kontinuerlig slik at vi kan være sikre på at målingene er til å stole på. Blant annet sammenliknes målingene fra verdensrommet med vannstandsmålere på landjorda. Det finnes flere eksempler på at dette har avslørt feil i satellittdataene som senere er rettet. Det er likevel viktig å understreke at altimetrisatellittene ikke justeres for å passe med målingene på landjorda. Eventuelle avvik vil derimot motivere for grundige feilsøk i de algoritmer og modeller som benyttes i prosesseringen av altimetridataene.

Altimetrisatellittene gir oss en enestående mulighet til å overvåke havnivået. De utgjør per i dag eneste måleteknikk som kan observere havnivået ute på det åpne havet. I motsetning til stikkprøver på bakken, gir altimetrisatellittene derfor totalbildet.

Referanser

Ablain, M., Cazenave, A., Valladeau, G., & Guinehut, S. (2009). A new assessment of the error budget of global mean sea level rate estimated by satellite altimetry over 1993-2008. Ocean Science. 5, 193-201.

Boening, C., Willis, J.K., Landerer, F.W., Nerem, S.R. & Fasullo, J. (2012). The 2011 La Niña: So strong, the oceans fell. Geophysical Research Letters, 39, L19602.

Breili, K., Simpson, M.J.R. & Nilsen, J.E.Ø. (2017). Observed Sea-Level Changes along the Norwegian Coast. Journal of Marine Science and Engineering, 5, 29.

Church, J.A. et al. (2013). Working group I contribution to the IPCC fifth assessment report (AR5), Climate Change 2013: The physical science basis, Chapter 13: Sea Level Change. Final draft.

Peltier, W.R. (2009). Closure of the budget of global sea level rise over the GRACE era: the importance and magnitudes of the required corrections for global glacial isostatic adjustment, Quaternary Science Reviews, 28(17-18), 1658-1674.

Shepherd, A., Ivins, E.R., Geruo, A., Barletta, V.R., Bentley, M.J., Bettadpur, S., ... & Zwally, H.J. (2012). A reconciled estimate of ice-sheet mass balance. Science, 338(6111), 1183-1189.