2 september 2018. De piloten Jim Payne en Tim Gardner zitten 13 kilometer boven de Andes in de Perlan II.
Een propellervliegtuig heeft dit slechts 500 kilo zware zweefvliegtuig de lucht in getrokken, en nu klimt de Perlan II op de wind verder omhoog.
Het toestel heeft een spanwijdte van 25 meter en is gemaakt voor maximale lift door te surfen op luchtstromen boven de bergen.
De warme lucht stuwt het vliegtuig voorbij de Armstrong-limiet op 19,2 kilometer. De atmosfeer is nu zo dun dat buiten de drukkamer van het vliegtuig je bloed zou koken.
Vijf uur na take-off zweeft de Perlan II 23 kilometer boven de aarde, bijna 4 kilometer hoger dan welk ongemotoriseerd vliegtuig ook.
Alleen spionagevliegtuigen en luchtballonnen hebben dit eerder gedaan. De Perlan II kan aan de rand van de ruimte zweven en de snelheid, temperatuur en chemische samenstelling van de wind meten zonder vervuiling van een benzinemotor.
De metingen geven informatie over verschijnselen in de stratosfeer en daarmee ook over het weer en klimaatveranderingen. En mogelijk kunnen ze ons zelfs helpen het luchtruim op Mars te veroveren.
Golven banen de weg voor record
Jarenlang dachten we dat zweefvliegtuigen tot maximaal 15 kilometer hoogte konden komen, omdat warme lucht daarboven in principe niet meer stijgt.
NASA-testpiloot Einar Enevoldson legde zich daar echter niet bij neer.
Vanaf de jaren 1990 onderzocht hij de zogeheten golfstijgwinden of golven die ontstaan als warmte dicht bij de aarde lucht op berghellingen verwarmt.
Deze golven vormen een zeer krachtige stijgende wind als de polaire straalstroom en de poolwervel versmelten.
Enevoldson kwam erachter dat de golven tot op wel 39 kilometer hoogte kunnen komen – meer dan twee keer zo hoog als eerder gedacht.
In 2006 schreven Enevoldson en de avonturier Steve Fossett geschiedenis: ze verbraken het hoogterecord door aan boord van de Perlan I op maar liefst 15.544 meter boven het Andesgebergte in Argentinië te zweven.
Golven helpen zweefvliegtuig de stratosfeer in
Een paar dagen per jaar bundelen twee sterke luchtstromen hun krachten boven de Andes en vormen ze een 30 kilometer hoge golf van wind, die de Perlan II hoog de stratosfeer in tilt.
Luchtstroom ontmoet berg
In de zomer waaien de polaire straalstroom en de poolwervel boven de Andes in Argentinië. Als de twee stromen een berg passeren op respectievelijk 10 en 30 km hoogte, wordt de lucht door de bergtop omhoog gestuwd, waar hij met 1 graad per 100 meter afkoelt en wolken en neerslag vormt.
Droge lucht daalt af
Als de lucht over de berg heen gaat, is hij droog en daardoor zwaarder geworden. De zwaartekracht trekt hem omlaag. Door de warmte dicht bij de grond wordt de lucht verwarmd, waardoor deze opstijgt als een zogeheten golfstijgwind of golf.
Krachtige golven worden stratosfeer in gestuurd
Een sleepvliegtuig brengt de Perlan II naar 12 km hoogte, waarna hij verder klimt met behulp van de golfstijgwind. Hoe hoger, hoe krachtiger de golf wordt, doordat de druk en de omliggende windkracht geleidelijk afnemen.
Vliegtuig gaat weer en ozon meten
Vliegen in de stratosfeer is riskant, vanwege de windsnelheden van 400 km/h en de krachtige golven waardoor het vliegtuig in een gevaarlijke duik- of tolvlucht kan geraken.
De vlucht met de Perlan I eindigde dan ook met een noodparachutesprong.
Vliegtuigen hebben echter wel meer mogelijkheden dan weerballonnen en satellieten, die sinds de jaren 1970 de primaire meetinstrumenten vormen in de stratosfeer.
Weerballonnen zijn onbemand en moeilijk te besturen, en satellieten kunnen de hoge luchtlagen niet van zo dichtbij bestuderen als een vliegtuig.
Er zijn bemande straalvliegtuigen die nog hoger komen dan de Perlan II, maar zij kunnen door hun hoge snelheid en benzine-uitstoot geen precieze metingen doen.
Maar met de Perlan II is het mogelijk gecontroleerd onderzoek te verrichten met behulp van sensoren op het zweefvliegtuig, die de luchtvochtigheid, temperatuur en druk in de stratosfeer kunnen meten.
Lang werd gedacht dat het weer alleen in de troposfeer ontstond, de luchtlaag tussen het aardoppervlak en de stratosfeer op 15 kilometer hoogte. Maar wat in de stratosfeer gebeurt, blijkt door te sijpelen naar beneden.
In de stratosfeer waait de poolwervel, een wervelstorm van westenwinden, in een cirkel rond het poolgebied boven Canada, Siberië en Scandinavië.
De wervel ondersteunt de straalstromen in de troposfeer. Omgekeerd kan de poolwervel beïnvloed worden door Rossby-golven lager in de atmosfeer.
Deze golven worden veroorzaakt door de rotatie van de aarde en het verschil tussen land en water.
De golven stijgen op en kunnen de poolwervel verstoren, wat de straalstromen in de troposfeer verzwakt.
Daardoor kan warme lucht ver naar het noorden komen en koude lucht ver naar het zuiden. Het onderzoek van de Perlan II kan ons inzicht geven in deze verschijnselen, die invloed hebben op het weer op aarde.
Die kennis is belangrijk om het weer ver van tevoren te kunnen voorspellen. Dat geldt in het bijzonder voor Noord- en West-Europa, waar het verband tussen de stratosfeer en de troposfeer vooral sterk lijkt te zijn.
Het revolutionaire zweefvliegtuig moet ons niet alleen meer leren over het weer, maar ook de ozon in de stratosfeer meten.
Met die metingen kunnen we de gaten in de ozonlaag onderzoeken die ontstonden door jarenlange uitstoot van broeikasgassen, die bij contact de ozonmoleculen splijten.
Een zeer grote boosdoener in dit opzicht werd onder andere gebruikt in koelkasten, tot in 1987 internationaal werd afgesproken deze gassen uit te faseren. De Perlan II moet vastleggen in hoeverre de ozonlaag zich herstelt.
Zweefvliegtuig moet ozonlaag onderzoeken
In de stratosfeer bevindt zich de ozonlaag, die de aarde beschermt tegen uv-straling. Maar jarenlange uitstoot van gevaarlijke chemicaliën heeft gaten in de laag geslagen en bijgedragen aan de opwarming van de aarde. In 2016 bleek dat de gaten in de ozonlaag op diverse plekken zijn gedicht, maar om zeker te zijn wil men het exacte aandeel ozon in de lucht meten. Daarvoor gaat de Perlan II metingen doen op 20 km hoogte, waar de lucht voor 90% ozon is.
Stratosfeer (15-50 kilometer)
90 procent van de ozonlaag bevindt zich in de stratosfeer, op 20 kilometer hoogte.
Troposfeer (0-15 kilometer)
Het onderste deel van de atmosfeer. Dit wordt onder meer door de burgerluchtvaart gebruikt.
Aardoppervlak
De uv-straling die door de beschermende ozonlaag dringt, bereikt de aarde.
Volgende halte: Mars
Op de hoogte waar de Perlan II zweeft, is de lucht 97 procent ijler dan normaal en de temperatuur -70 °C. Dat doet denken aan de atmosferische omstandigheden op Mars.
De planeet heeft een zuurstofarme atmosfeer, die vliegen met een verbrandingsmotor onmogelijk maakt.
De Perlan II laat echter zien dat we bij dergelijke omstandigheden wel over grote afstanden kunnen zweven. Langeafstandstransport is cruciaal als we Mars willen verkennen en er koloniën stichten.
Hier op aarde blijft Perlan II zwevend de hoogste luchtlagen verkennen.
De piloten Jim Payne en Tim Gardner willen volgend jaar al hun eigen hoogterecord proberen te verbreken door op de golfstijgwinden naar 27 kilometer hoogte te surfen.