1957-2007: VIJFTIG JAAR IJKBASIS LOENERMARK

Prof.dr.ir. L. Aardoom

Anno 2007 wordt bij de plaatsbepaling in de landmeetkunde en, in groter verband, in de geodesie meer en meer gebruik gemaakt van het Global Positioning System (GPS), een overal en altijd beschikbaar ruimtelijk netwerk van satellieten. Tien à twintig jaar geleden was dat nog anders. Toen diende een in de werkomgeving beschikbaar netwerk van driehoekspunten als enig meetkundig houvast en dat was sinds mensenheugenis zo geweest. Nederland kreeg al in het begin van de 19de eeuw zo’n driehoeksnet, een aaneenschakeling van driehoeken die, met zijdenlengten van enkele tientallen kilometers, het hele land bedekte. De onderlinge ligging van de knooppunten - de driehoekspunten - in dat net was bepaald door het meten van de hoeken in die punten en de bepaling van één of meer zijdenlengten (een zogenaamde basis, dan wel bases) in het net.

Na 1885 werd het Nederlandse driehoeksnet onder leiding van de in 1879 ingestelde Rijkscommissie voor Graadmeting en Waterpassing (RCGW) versterkt en opnieuw gemeten. Later werd de maaswijdte van het net met het oog op praktisch gebruik verkleind, onder meer ten behoeve van het Kadaster, de (Rijks)waterstaat en de gemeenten. Zo kwam in 1928 het net van de Rijksdriehoeksmeting (RD) beschikbaar, met het onderhoud waarvan in 1930 het Kadaster werd belast. Om alle zijdenlengten in het net en de rechthoekige coördinaten van de punten te kunnen berekenen was in 1913 langs de straatweg Amersfoort-Apeldoorn, ter hoogte van Stroe, met een nauwkeurigheid van enkele millimeters een basis van ruim 4 km gemeten. Het RD-net, in 1885 opgezet als Nederlandse bijdrage aan de Midden-Europese graadmeting van die tijd, werd de grondslag voor de meeste kaarten die zich over een groter gebied uitstrekken, de kadastrale, de topografische, die van de waterstaat en de toeristische. De meeste RD-punten liggen op de omgangen van kerktorens, waarvan de spitsen als richtpunten van ver zichtbaar zijn.

Ook de omringende landen in Europa hadden, en hebben, een dergelijk driehoeksnet en al kort na de Tweede Wereldoorlog werd de behoefte gevoeld die landelijke driehoeksnetten (nauwkeurig tot op 1 meter op 100 kilometer, dus 1:100.000 = 1:105; soms beter) onderling te verbinden tot een inter-Europees net, één van de eerste initiatieven tot Europese samenwerking. Een ander project in dit verband was de koppeling van de hoogtesystemen van de verschillende landen, de meeste overigens al sinds jaar en dag gebaseerd op het in Nederland als nulpunt gekozen Normaal Amsterdams Peil (NAP). Voor de beoogde koppeling van de driehoeksnetten behoefden de hoekmetingen doorgaans niet te worden overgedaan en zou rekentechnisch met onderlinge aansluiting kunnen worden volstaan. In vorm lagen de individuele netten wel vast maar de schalen zouden onderling wel kunnen verschillen, mogelijk aanleiding gevend tot ongewenste verwringingen langs de grenzen. Natuurlijk was destijds overal gebruik gemaakt van de Parijse standaardmeter, maar de verschillende landen hadden daarvan in principe enigszins verschillende kopieën en dan was het nog maar de vraag hoe die landelijke standaarden in het verleden waren gebruikt om de basis of bases te meten en hoe de uitkomsten daarvan uiteindelijk aan het driehoeksnet waren overgedragen.

Wetenschappelijke zorgen dus over mogelijke schaalverschillen van de driehoeksnetten; zorgen uitgesproken op internationale geodetische congressen. En niet alleen inzake Europa, maar ook wereldwijd, want de bedoeling was uiteindelijk de gehele aarde meetkundig sluitend in kaart te brengen. Zo werd in 1954 de aanbeveling gedaan dat elk land op eigen grondgebied een ijkbasis zou aanleggen, waarvan de precieze lengte op een afgesproken nauwkeurige standaardmanier zou worden gemeten. Op die ijkbasis zou elk land zijn lengtemeetapparatuur, zo vaak als nodig, kunnen ijken. De nauwkeurigste lengtemeetapparatuur bestond in de meeste landen toen nog uit één of meer invardraden, draden met een diameter van enkele millimeters, ter lengte van meestal 24 m vervaardigd van invar, een staal-nikkel legering met minimale thermische uitzettingscoëfficiënt; dit laatste met het oog op in de praktijk onvermijdelijke temperatuurswisselingen tijdens het meten in het veld. De bases zouden ook kunnen dienen voor de ijking van de opkomende elektro-optische afstandmeters, zoals de inmiddels in Zweden in productie genomen Geodimeter van E. Bergstrand. Voorstel was om de ijking te doen volgens de al in 1923 door de Finse natuur- en sterrenkundige Y. Väisälä (1891-1971) gepubliceerde lichtinterferentiemethode.

J. Babinet was in 1827 al op het idee gekomen de meter, zoals die toen nog niet zolang geleden in opdracht van de Franse Academie van Wetenschappen was bepaald (als één tienmiljoenste - 10-7 - deel van de omtrek van de Aarde, gemeten tussen evenaar en pool) uit te drukken in een daarvoor geschikte golflengte van licht. Het werd echter eind 19de eeuw voordat het A.A. Michelson en A. Benoit gelukte dit te doen, te weten in die van de rode cadmiumlijn. Die bleek toen een golflengte van 643,847 nanometer (1 nm = 10-9 m) te hebben; omgekeerd : 1 meter = 1.553.164 golflengtes van de rode cadmiumlijn. Door de meter uit te drukken in een universeel reproduceerbare golflengte, zou de standaard overal toegankelijk zijn en zou die bij onverhoopt verlies altijd weer kunnen worden gereconstrueerd. Een belangrijke metrologische stap. Toch zou de standaardmeter pas in 1960 officieel als een veelvoud van een golflengte van licht worden gedefinieerd: 1.650.763,73 golflengtes in vacuüm van de oranje kryptonlijn. Vergelijkingen als deze konden, en kunnen, alleen onder laboratoriumomstandigheden worden uitgevoerd.

Professor Väisälä had nu een techniek bedacht om, met gebruikmaking van wit licht, het interferentieverschijnsel in het open veld te benutten voor het meten van afstanden tot enkele honderden meters. Zijn methode zou dus voor de meting van de beoogde ijkbases kunnen worden gebruikt. Hierbij werd uitgegaan van een kwartsstaaf met 1 à 2 cm cirkelcilindrische diameter, voorzien van bolvormig (straal ongeveer 1 m) afgeronde einden en in lengte vergeleken met een maatgevende kopie van de standaardmeter. Door de staaf met één van de bolvormige einden in nauw contact te brengen met een vlakke glasplaat ontstonden de bekende Newtonringen en door die aandachtig waar te nemen en te interpreteren kon de afstand tussen staaf en plaat tot nul worden teruggebracht. Aldus kon, evenzo werkend aan het andere einde van de kwartsstaaf, een tweede vlakke glasplaat ten opzichte van de eerste worden geplaatst op een afstand gelijk aan de bekende lengte van de kwartsstaaf. Hiermee waren twee, in de praktijk als planparallele tweezijdige spiegels uitgevoerde, glasplaten geplaatst op de geijkte meterafstand: de spiegels ‘0’ en ‘1’, respectievelijk aan het begin (het ‘0’-punt) van de basis en op 1 m daarvandaan. Door nu twee evenwijdige coherente (optisch identieke) lichtbundels te laten weerkaatsen tussen spiegels ‘0’ en ‘1’, respectievelijk tussen spiegel ‘1’ en een volgende spiegel ‘2’, de beide lichtbundels convergerend samen te brengen en de optredende interferentiepatronen waar te nemen, werd de spiegelafstand verdubbeld tot 2 meter; en dat met golflengte-tolerantie, dus globaal 0,001 mm. Nauwgezet werkend kon de uitgezette afstand verder worden vermenigvuldigd, totdat na enkele honderden meters - de stappen werden steeds groter - de interferentiepatronen door atmosferische omstandigheden zouden vervagen en de meting daardoor minder nauwkeurig werd. Väisälä en zijn medewerkers pasten de techniek in Finland voor het eerst in 1926 over 192 meter toe op een basis bij Turku en in 1947 met spiegels ‘0’, ‘1’, ‘6’, ‘24’, ‘72’, ‘216’, ‘432’ en ‘864’ te Nummela, de tot dan langste gemeten interferentiebasis, met stapsgewijze ‘vermenigvuldiging’ van de kwartsstaaf met achtereenvolgens: 6, 4, 3, 3, 2 en 2, uiteindelijk 864 maal, dus tot 864 meter. Door de aantallen reflecties per stap te variëren konden, al naar de omstandigheden of de behoeften, de vermenigvuldigingsfactoren worden aangepast. In de uitvoering was het een precies werkje, waarvoor grote kennis van zaken, accuratesse, geduld en ervaring vereisten waren.

Vooral gelet op dit laatste, maakte de Rijkscommissie voor Geodesie (RCG) - sedert 1937 opvolgster van de RCGW - in 1955 gaarne gebruik van het aanbod van het Finse geodetisch instituut te Helsinki om de specialistische metingen met de Väisälä-‘comparator’, desgewenst, in Nederland te komen verzorgen. Als locatie daarvoor werd met medewerking van de gemeente Apeldoorn een terrein gevonden in de plaatselijke Loenermark. In dat natuurgebied zou ongestoord kunnen worden gewerkt en de kans op latere verstoringen door natuurlijke oorzaken of door menselijk toedoen was daar minimaal. De natuurlijke stabiliteit werd verwacht op grond van daartoe uitgevoerd geologisch onderzoek. Bij de keuze van dit terrein telden ook de betrekkelijk geringe hoogteverschillen en algehele helling (naar Veluwse maatstaven, slechts 2 m over 600 m), van praktisch belang bij de uit te voeren metingen en latere ijkingen. In overleg met prof.dr. T.J. Kukkamäki, verbonden aan het Finse geodetisch instituut, die de metingen, samen met zijn collega T. Honkasalo, zou verzorgen werd besloten de spiegels te plaatsen op 0, 1, 6, 24, 96, 288 en 576 m vanaf het begin van de basis, zodat de kwartsstaaf van 1 meter achtereenvolgens met 6, 4, 4, 3 en 2 zou worden ‘vermenigvuldigd’. Aldus zouden lijnstukken van 1, 4, 12 en 24 x 24 m - de gebruikelijke lengte van te ijken invardraden - beschikbaar komen. Kukkamäki en Honkalaso hadden eerder elders ervaring met dit specialistische werk opgedaan.

In 1956 werden de betonnen pijlers, nodig voor de opstelling van de apparatuur en ter verzekering van de meetpunten ‘0’ (begin), ‘1’, ‘6’, ‘24’, ‘96’, ‘288’ en ‘576’ (einde), aangelegd. Bij het uitzetten van de basis en de verdere voorbereiding van de metingen verleende de Landmeetkundige Afdeling van de Dienst Gemeentewerken te Apeldoorn de plaatselijk onmisbare medewerking. Bij het uitzetten was het essentieel dat de ondergronds te plaatsen eigenlijke meetpunten in de basis met minimale tolerantie op 1, 6, 24, 96, 288 respectievelijk 576 m vanaf het nulpunt werden aangebracht. De interferentiemetingen van de basis moesten tot oktober-november 1957 worden uitgesteld. Zoals opgemerkt, moest hierbij de uiterste nauwgezetheid worden betracht, vooral ook bij het ‘oploden’ vanaf de ondergronds verzekerde meetpunten en bij het monitoren van de temperatuur en andere omgevingsfactoren langs de basis. Terug in Helsinki, vonden Kukkamäki en Honkasalo voor de totale lengte 576,09226 m met een statistische onzekerheid van 0,03 mm, in de orde van enkele tientallen golflengtes. De nominale 576 m waren dus gemeten met een proportionele precisie van ongeveer 1:107, tien- tot honderdmaal zo nauwkeurig als de driehoeksnetten van die tijd. Bij gebrek aan een dergelijke basis in het overige Noordwest-Europa, zou zij die gehele regio de ijkmogelijkheid moeten bieden, die in 1954 was voorzien. Toen de basis najaar 1969 door Honkasalo en zijn collega P. Gröhn nog eens werd nagemeten, bleek zij significant, maar met het oog op de toepassingen niet onrustbarend, 0,6 mm langer uit te vallen dan in 1957.

Intussen was de basis, zoals bedoeld, gebruikt voor de ijking van de invardraden van de RCG, waarmee in 1960 de Duitse, 7,2 km lange, basis bij Meppen - net over de grens bij Emmen - werd gemeten en waarmee in 1965 langs de Afsluitdijk de lengte van een 24 km lange nieuwe basis voor het RD-net werd bepaald. Om de ijking van de invardraden te vergemakkelijken was in 1960, op 4,5 m evenwijdig aan de primaire basis, een hulpbasis aangelegd, met kleine betonnen pijlers op 0, 288 en 576 m en daartussenin om de 24 m - de lengte van de draden - een houten paaltje, waarin vóór de ijking de te gebruiken speciale bouten konden worden geschroefd. Omstreeks 1970 overwogen de onderzoekers K.D. Froome en R.H. Bradsel van het Engelse National Physical Laboratory hun Mekometer - een nieuwbedachte elektro-optische afstandmeter - te ijken op de Loenermark-basis. Bij die gelegenheid zouden zij ook, onder veldomstandigheden, de lichtsnelheid in lucht bepalen, maar financiële overwegingen stonden de uitvoering van het plan in de weg. Wel kwam het in 1980 tot een ijking van de elektro-optische afstandmeters die het Kadaster had aangeschaft ten behoeve van de RD, een overeenkomst die nog datzelfde jaar zou leiden tot de overdracht van het beheer van de basis aan die instelling.

De opkomst van de elektro-optische, meer algemeen, elektronische afstandmeting in de geodesie was de inleiding tot het geleidelijk aan in onbruik raken van de ijkbasis op de Loenermark. Elektronische afstandmeters, waarvan de ijking in hoofdzaak neerkomt op de ijking in het laboratorium van ingebouwde oscillator/‘klok’-frequenties, gingen in snel tempo meetbanden en invardraden voor de lengtemeting vervangen. De uitvinding en ontwikkeling van de elektronische, in het bijzonder, van de elektro-optische afstandmeters en de bepaling daarmee van de lichtsnelheid c in vacuüm (299792458 m/s), leidde in 1983 zelfs tot een herdefinitie van de lengte van de standaardmeter als 1/299792458 ‘lichtseconde’: de afstand die licht in vacuüm aflegt in één seconde, c en de seconde gekozen als de primaire grootheden. Bij deze ommekeer in de geodesie kwamen nog de mogelijkheden die kunstmatige satellieten sedert 1957 zouden bieden, vanaf 1965 in het bijzonder de uiterst precieze meting van afstanden met behulp van lasers, in feite elektro-optische afstandmeting via de ruimte. Het lot zal ook de andere door toepassing van de methode-Väisälä ingerichte interferentiebases hebben getroffen: onder meer die in Finland, Argentinië (Buenos Aires, 1953) en Duitsland (bij München, 1958). Zoals ‘de Loenermark’ noordwest-Europa zou moeten bedienen, was de Duitse basis - zij kreeg een lengte van 2 x 432 m = 864 m - bedoeld voor grensoverschrijdend gebruik in midden-Europa.

Zijn interferentiebases in onbruik of niet, professor Väisälä’s naam zou verbonden blijven met de stormachtige 20ste-eeuwse ontwikkelingen in de geodesie: met de door hem allang vóór 1957 beoefende methode van ‘stellaire triangulatie’ - het ruimtelijk driehoeksmeten met behulp van hoge richtpunten, zoals ballonnen en raketten - was hij, in 1946 (!) vooruitblikkend naar het tijdperk van de “small moons”, een van de grondleggers van de satellietgeodesie.

Wie meer wil weten over de aanleg, de inrichting en de meting van de ijkbasis in de Loenermark en/of over 20ste-eeuwse geodetische basismetingen in Nederland in het algemeen kan in De Hollandse Cirkel terecht bij Frans Jansen:

*IJkbasis Loenermark, jrg. 5 (2003), p. 33-37 (een samenvatting van G.J. Bruins, red., Standard Base “Loenermark”, RCG Delft 1964) en:

*Basismetingen in de 20e eeuw in Nederland, jrg. 9 (2007), p. 5-10.

september 2007

 

Voor vragen en opmerkingen kunt u contact met ons opnemen.