Zal nieuwe generatie smartphones ons weerbericht verstoren?

Gedetailleerde weersvoorspellingen berusten op zwakke signalen van waterdamp in de atmosfeer. Wetenschappers waarschuwen dat sommige van die signalen door de krachtige 5G-frequenties mogelijk verdrongen zullen worden.dinsdag 3 december 2019

Door Alejandra Borunda

In 2012 denderde hurricane Sandy af op de Oostkust van de VS. De storm trof de regio rond New York zwaar door meerdere dagen boven het gebied te blijven hangen en enorme hoeveelheden regen te laten vallen. Sandy eiste ruim honderd slachtoffers, zette grote gebieden onder water en richtte enorme schade aan de plaatselijke infrastructuur aan.

De ellende en verwoesting zouden ongetwijfeld nog groter zijn geweest als er geen gedetailleerde en accurate voorspellingen zouden zijn geweest over het pad van de storm, voorspellingen die wetenschappers ruim voordat de storm aan land kwam aan de diverse nooddiensten konden doorgeven. 

De meteorologische wetenschap heeft de afgelopen decennia veel vooruitgang geboekt door steeds meer informatie te halen uit gegevens die op de grond, in de atmosfeer en door satellieten in een baan rond de aarde worden vergaard. Het resultaat is dat we over steeds betere en nauwkeuriger weersvoorspellingen op steeds langere termijn kunnen beschikken.

Maar de gedetailleerde weersvoorspellingen waaraan we gewend zijn geraakt, worden volgens wetenschappers bedreigd. Ons vermogen om met enige accuraatheid te zeggen hoe het weer er over een paar dagen zal uitzien, zou weleens veertig jaar in de tijd kunnen worden teruggeworpen als gevolg van de ernstige verstoring van een weerstechnologie die van cruciaal belang is.

Telecommunicatietechnologieën als 5G-internet nemen ruimte in op het elektromagnetisch spectrum, dat alle soorten elektromagnetische straling omvat, waaronder microgolven, infrarood en ultraviolet licht, gammastraling en röntgenstraling. Tegenwoordig wordt die ruimte op het spectrum duur betaald. En veel van de informatie die voor het creëren van geavanceerde weersmodellen worden gebruikt, is afkomstig van delen van het spectrum die pal naast frequenties liggen die telecommunicatiebedrijven graag voor hun nieuwe netwerken willen gebruiken.

“Het doet denken aan een appartementencomplex,” zegt Jordan Gerth, atmosfeerwetenschapper aan de University of Wisconsin in Madison. “Over het algemeen gaat men ervan uit dat iedereen het een beetje rustig houdt. In spectrumland worden ook frequenties voor meteorologische en wetenschappelijke doeleinden gebruikt, en die vereisen een rustige omgeving en rustige buren. Maar de telecomsignalen zijn doorgaans erg sterk en dus kunnen ze ‘doorlekken’ naar andere frequenties.

“Het is alsof je een crèche runt waar kleine kinderen een dutje moeten doen, terwijl ernaast een kroeg met veel herrie ligt. Er zit weliswaar een muur tussen, maar je hoort het lawaai er toch doorheen lekken.”

In de afgelopen maanden zijn afgevaardigden van landen en handelsblokken bijeengekomen voor de World Radiocommunications Conference (WRC) om besluiten te nemen over internationale regels ter bescherming van frequentiebanden die van cruciaal belang zijn voor de weersvoorspelling – kortom, over de vraag hoeveel lawaai uit de aangrenzende kroeg mag doorklinken tot in de crèche.

Uiteindelijk hebben de afgevaardigden een besluit genomen dat volgens sommige wetenschappers, onder wie Jim Bridenstine, de baas van de NASA, de capaciteit voor het opstellen van weersvoorspellingen op een gevaarlijke en misschien onherstelbare wijze zal verkleinen.

Waar het om gaat

Volgens William Blackwell, atmosfeerwetenschapper en ingenieur aan het MIT, ligt een van de belangrijkste frequentiebanden rond de 23,8 GHz. Ook de absorptie van waterdamp ligt in dit microgolfbereik van het spectrum, waardoor instrumenten aan boord van weerssatellieten het zwakke signaal ervan kunnen oppikken. Het probleem is dat telecommunicatiebedrijven delen van het spectrum willen gebruiken die pal naast het frequentiebereik voor waterdamp liggen.

Het elektromagnetisch spectrum is als water in een rivier: er is maar een eindige hoeveelheid van. Een deel van het water is nodig om het ecosysteem gezond te houden, zoals ook een deel van het spectrum nodig is om weersvoorspellingen te kunnen doen. Maar de rest van het spectrum wordt grotendeels al ingenomen door alle mogelijke vormen van draadloze communicatie: GPS, radionavigatie, satellietbeheer, telecommunicatie enzovoort. Dus is de vraag naar de weinige nog beschikbare frequentiebanden sterk toegenomen.

“De reden waarom we dit getouwtrek hebben, is omdat er zoveel mobieltjes zijn, zoals de smartphone die ik bij me heb,” zegt Tom Ackerman, atmosfeerwetenschapper aan de University of Washington.

In het verleden lagen de frequenties voor telecommunicatie altijd ver verwijderd van frequenties die voor weersvoorspellingen en klimaatmodellen werden gebruikt. “Maar het onroerend goed op het spectrum begint schaars te worden,” zegt Ackerman. “Voorheen konden we prettig samenleven, maar nu is de zandbak vol.”

Eerder dit jaar hield de Amerikaanse toezichthouder Federal Communications Commission (FCC) een veiling voor de toekenning van dat deel van het microgolfspectrum dat pal naast de ‘waterdampband’ rond 23,8 GHz ligt. Bedrijven die deze nieuwe ruimte wilden gebruiken, boden twee miljard dollar voor de licentie.

Maar voorafgaand aan de veiling had Jim Bridenstine, de baas van de NASA, al gewaarschuwd dat de kwaliteit van weersvoorspellingen weleens gevaar zou kunnen lopen door verstoring van het zwakke waterdampsignaal rond 23,8 GHz als gevolg van het ‘doorlekken’ van het sterke 5G-signaal. Volgens Bridenstine zou de verstoring onze weersvoorspellingen terug kunnen werpen naar de tijd vóór het begin van de microgolfmetingen, halverwege de jaren zeventig.

Neil Jacobs, waarnemend assistent-directeur van de NOAA, verklaarde rond dezelfde tijd tegenover een commissie van het Amerikaanse Congres dat het telecommunicatieverkeer via aangrenzende frequentiebanden de accuraatheid van onze weersvoorspellingen met dertig procent zou kunnen verlagen en dat de tijd die burgers en overheden hebben om zich op hurricanes voor te bereiden, daardoor zou kunnen verminderen tot twee à drie dagen.

Jacobs, Bridenstine en andere wetenschappers pleitten voor strikte regels voor de hoeveelheid ‘lawaai’ die de activiteiten van de buren mochten veroorzaken en vroegen om datgene wat eerder al door de Wereldmeteorologische Organisatie(WMO) was geopperd, namelijk een grens van –42 decibelwatt (hoe negatiever het getal, des te dikker de ‘muur’ tussen de frequentiebanden). Maar de FCC besloot om de grens tot –20 decibelwatt te beperken.

Op de recente bijeenkomst van de World Radiocommunications Conference werd voor een tussenoplossing gekozen. Besloten werd om de maximale verstoring tot 2027 vast te stellen op –33 decibelwatt, waarna de grens enigszins zou worden versterkt, tot –39 decibelwatt. Volgens Gerth is dat weliswaar beter dan wat de FCC had voorgesteld, maar nog altijd verre van ideaal. “Dit probleem is nog lang niet opgelost,” zegt hij.

Maar de belangrijkste branchevereniging op het gebied van draadloze telecommunicatie in de VS, de Cellular Telecommunications and Internet Association (CTIA), denkt daar anders over. Haar directeur, Brad Gillen, schreef in een blogpost dat de analyses van de NOAA en de NASA waren gebaseerd op metingen met het verkeerde microgolfinstrument, en dat het probleem niet zou optreden als er moderne radiometers gebruikt zouden zijn. Maar de NOAA en de NASA – en ook de Amerikaanse marine – zijn het daar niet mee eens.

De eigen onderzoeken die de NOAA en de NASA naar dit specifieke probleem hebben gedaan, zijn nog niet gepubliceerd, dus kunnen onafhankelijke wetenschappers de beweringen nog niet controleren.

Satellieten en het weer

Een eeuw geleden waren zelfs de allerbeste weersvoorspellingen in de wereld grotendeels gebaseerd op goedgeïnformeerd giswerk. Wolkenpatronen en windrichting konden enig idee geven van wat zich de komende uren in de atmosfeer zou afspelen, maar veel verder dan dat kon men destijds niet kijken. Tegenwoordig kunnen wetenschappers tot wel een week in het vooruit een solide voorspelling doen van wat er staat te gebeuren: regen, sneeuw, zon, hurricanes...

In de jaren zeventig hadden wetenschappers inmiddels de basis gelegd voor het voorspellingsysteem dat we vandaag de dag gebruiken. Ze hadden computermodellen ontwikkeld die een accurate beschrijving gaven van de gecompliceerde fysica waarop luchtstromingen in de atmosfeer berusten. Hoe meer ze inzoomden op de details van die fysica, des te beter werden hun voorspellingen.

Waarom is het moeilijk om het weer te voorspellen?

Maar ze ontdekten ook hoe moeilijk het is om de atmosfeer te doorgronden. Om het weer in de nabije toekomst te kunnen voorspellen, moesten ze eerst precies weten wat de actuele weersomstandigheden waren, want de fysica werkte alleen als ze een nauwkeurig inzicht in de uitgangspositie hadden.

Waar het om draaide, zo beseften wetenschappers en ingenieurs overal ter wereld, was het verkrijgen van zo nauwkeurig mogelijke gegevens over de actuele stand van zaken in de atmosfeer. Vandaaruit zouden ze dan het weer in de nabije toekomst zo goed mogelijk kunnen afleiden.

Steeds meer aandacht werd besteed aan de ontwikkeling van instrumenten die de hele driedimensionale uitgestrektheid van de atmosfeer in kaart konden brengen, zodat onderzoekers bijvoorbeeld de luchttemperatuur vanaf de grond tot helemaal in de stratosfeer konden meten of konden zien hoeveel flarden waterdamp er zowel in de lagere als de hogere atmosfeer boven Chicago, Jakarta of het midden van de oceaan aanwezig waren.

Een van de belangrijkste ontwikkelingen was het exact kunnen vaststellen van de locatie en hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer. Daarbij maakten wetenschappers gebruik van het feit dat waterdamp op specifieke frequenties elektromagnetische straling absorbeert.

Naarmate de satellietobservaties verbeterden, nam ook de kwaliteit van de weersvoorspellingen toe. Tegenwoordig zijn vijfdaagse voorspellingen net zo nauwkeurig als een ééndaagse voorspelling in de vroege jaren tachtig.

De laatste jaren zijn observaties door geavanceerde radiometers voor microgolven, aan boord van satellieten in een baan rond de aarde, steeds belangrijker geworden. Uit onderzoek van het European Center for Medium-Range Weather Forecasting (ECMWF), dat wordt beschouwd als een van de meest vooraanstaande meteorologische instituten op dit gebied ter wereld, is gebleken dat gegevens op microgolf-frequenties een doorslaggevende rol spelen in de weersvoorspellingen op korte termijn en dat ze ongeveer twintig procent van de informatie leveren die nodig is voor het opstellen van weersmodellen.

Telkens wanneer microgolf-radiometers aan boord van satellieten (bijvoorbeeld van het Joint Polar Satellite System van de NOAAof het netwerk European Meteorological Operational – MetOp) metingen doen van de hoeveelheid microgolfstraling die vanuit de atmosfeer wordt uitgezonden, kunnen ze aan de hand daarvan bepalen hoeveel waterdamp er aanwezig is. Daarbij wordt gekeken naar straling op een reeks verschillende frequentiebanden, waaronder die rond 23,8 GHz. Maar het waterdampsignaal op die bandbreedte is erg smal: eerder een beekje dan een rivier. De geavanceerde microgolfmeters van nu zijn inmiddels zeer goed in het oppikken van dat zwakke signaal.

Ook al zou het gedeelte van het spectrum dat is gereserveerd voor weersvoorspellingen, strikt worden beschermd (en Blackwell van het MIT is daarvan niet overtuigd), lopen talloze andere frequentiebanden die van belang zijn voor weersvoorspelling het gevaar om door telecommunicatie op aangrenzende frequenties te worden verstoord.

“Hetzelfde gebeurt op andere delen van het spectrum,” zegt Blackwell. “Het 5G-spectrum ligt pal naast die banden, naast dit heilige spectrale gebied. En dat zal zeker problemen opleveren.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Om de kosmos te bestuderen ging dit dorp van het net

In Green Bank, West Virginia, heerst al sinds 1958 absolute radiostilte.

Seismisch mysterie mogelijk opgelost met baanbrekende aardbevingscatalogus

In een laboratorium nagebootste aardbevingen wijzen uit dat er al vóór een grote beving activiteit waar te nemen moet zijn, maar in de natuur was dit patroon niet zichtbaar. Tot nu.
Lees meer