Water, zand en vegetatie in bergen, rivieren en delta’s

Trends in fysisch-geografisch onderzoek

De fysische geografie in Nederland heeft zich de afgelopen decennia stormachtig ontplooid. Wat zijn de voornaamste ontwikkelingen in het vakgebied?

Tot diep in de jaren 1960 was fysische geografie vooral geomorfologie, maar dat veranderde snel na 1970. De proceskunde deed zijn intrede en fysische geografie ontwikkelde zich van een voornamelijk kwalitatief beschrijvend vakgebied naar een veel meer kwantitatieve wetenschap inclusief de eerste stappen naar modelgebruik, observatietechnieken en laboratorium- en veldexperimenten. Vanaf de jaren 90 dienden zich ontwikkelingen aan die het vakgebied opnieuw veranderden. Wat zijn de belangrijkste trends?

Technologische ontwikkelingen

Terugkijkend vallen ten eerste de verbluffende technologische ontwikkelingen op het gebied van modellering, geavanceerde meetapparatuur en aardobservatie- en dateringstechnieken op.

Modellering
Simulatiemodellen namen een enorme vlucht dankzij de snel toegenomen rekenkracht en toegankelijkheid van computers. In no-time is de overstap gemaakt van (incidenteel) werken met mainframes naar het algemeen gebruik van krachtige pc’s. Geografische informatiesystemen (GIS) groeiden naar volwassenheid in de jaren 90 en deden hun intrede bij tal van overheidsorganisaties en adviesbureaus (zie pag. 79). Hand in hand met deze ontwikkeling werd het ruimtelijk-dynamisch modelleren van allerlei landschapsprocessen gemeengoed, een activiteit die nog steeds tot de kern van het vakgebied behoort. Aanvankelijk ging het vooral om computermodellen voor wetenschappelijke doeleinden, maar naarmate de kwaliteit verbeterde kwamen ook de meer operationele toepassingen in beeld. Zulke modellen zijn nog steeds volop in ontwikkeling, maar worden ook al vele jaren gebruikt voor bijvoorbeeld het berekenen van overstromingsrisico’s (www.efas.eu), voor kustbescherming (XBeach; SWAN), zeespiegelstijging en mondiale waterbeschikbaarheid (PCRGlob en globalhydrology.nl).

De stormachtige ontwikkeling van modellen hield lang niet altijd gelijke tred met het doen van veldmetingen en waarnemingen (van veranderingen) in het landschap om het realiteitsgehalte van de modellen vast te stellen. Dit heeft vervolgens een impuls gegeven aan de ontwikkeling van tal van nieuwe meetinstrumenten en technieken voor in-situwaarnemingen en aardobservatie met remote sensing.

Meetapparatuur
Waar voorheen in kust- en rivieronderzoek bijvoorbeeld vooral mechanische instrumenten werden ingezet om stroomsnelheden en sedimenttransporten te bepalen, deden nu optische en akoestische sensoren hun intrede. Deze zijn gemakkelijk en automatisch aan te sturen, hebben een hoge meetfrequentie (bijvoorbeeld tien metingen per seconde van golven, stroming of sedimenttransport) en kunnen grote hoeveelheden data opslaan. Een belangrijk voordeel is ook dat ze ‘niet-intrusief’ of ‘niet-destructief’ zijn: de sensoren doen metingen zonder het proces zelf te verstoren, wat bij mechanische instrumenten vaak wel gebeurt.

Aardobservatie
De enorme ontwikkeling van de aardobservatie heeft de fysische geografie bergen ruimtelijke data en informatie opgeleverd over landschapscompositie en -dynamiek. Het NASA Landsat satellietprogramma (https://landsat.gsfc.nasa.gov/data/) en het erna volgende ESA Sentinel-programma leveren pentabytes aan data die veelal vrij beschikbaar worden gesteld. Landsat is het langst bestaande continue en meest succesvolle aardobservatieprogramma. Het geeft inzicht in veranderingen aan het oppervlak van 1984 tot nu, een respectabele tijdspanne. De website van Google Timelapse biedt mondiaal een fraai overzicht van de dynamiek aan het aardoppervlak waargenomen door satellieten. Een ander mooi voorbeeld is het vrij toegankelijke Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN), de digitale hoogtekaart voor heel Nederland, die vele details toont van stroomruggen, terpen en grafheuvels. AHN bevat gedetailleerde en precieze hoogtegegevens met gemiddeld acht hoogtemetingen per vierkante meter. Deze geo-data worden gebruikt in een groot aantal disciplines.

Voor waarnemingen dichter bij het aardoppervlak werd tot zo’n twintig jaar terug vaak gebruik gemaakt van camera’s onder vliegers, ballonnen en in modelvliegtuigen. Waar hoogbouw of masten aanwezig waren, installeerden onderzoekers videoapparatuur voor real-time monitoring in combinatie met time-lapsetechnieken om processen aan het aardoppervlak te registreren. Dit soort methoden is bijvoorbeeld gebruikt aan de kust om de migratie van zandbanken en de refractie van golven waar te nemen.

Sinds begin 2000 bieden drones met allerlei typen camera’s en/of andere instrumenten aan boord ongekende nieuwe mogelijkheden. Ze worden bijvoorbeeld ingezet om gletsjers in de Himalaya te monitoren, landdegradatie- en vegetatiepatronen in aride gebieden te observeren, zandplaten en kwelders in de Waddenzee in te meten, net als de verstuiving en migratie van duinen langs de kust van Noord-Holland.

Bij deze trend hoort ook de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie- (AI) en machine learning- (ML) technieken. Grote hoeveelheden gegevens (big data) over het leefmilieu komen beschikbaar en dienen verwerkt en geïnterpreteerd te worden. Er bestaan inmiddels geavanceerde analyse-, data mining- en classificatietechnieken, zoals Neural Networks en Random Forests, om binnen grote datasets tot nu toe onbekende patronen en wetmatigheden te kunnen detecteren.

Dateringstechnieken
Nog zo’n belangrijke ontwikkeling is het beschikbaar komen van geavanceerde dateringstechnieken. De nauwkeurige ouderdomsdateringen vergroten onze kennis van landschapsontwikkeling over langere en kortere tijdschalen. Ze zijn tevens van belang in de samenwerking tussen fysische geografie en archeologie bij de ouderdomsbepaling van menselijke activiteiten.

Het aardoppervlak verandert continu en om te doorgronden waardoor dat gebeurt, hoe snel het gaat en wanneer mensen actief werden, is informatie uit het verleden nodig. Veel natuurlijke processen, zoals bodemvorming en erosie, gaan te langzaam om binnen enkele decennia grote veranderingen te zien. Daarnaast komen extreme gebeurtenissen, zoals vulkaanuitbarstingen en tsunami’s, niet zó frequent voor dat ze goed te bestuderen zijn in korte meetreeksen. Om toch te begrijpen hoe langzame processen en extreme gebeurtenissen elkaar beïnvloeden, hoe ze interacteren met snelle menselijke processen, en het aardoppervlak veranderen, zijn we aangewezen op natuurlijke archieven en dateringsmethoden. Luminescentiedatering en radiokoolstofdatering zijn complementaire technieken waarvoor expertisecentra zijn opgezet in Wageningen en Groningen.

Een voorbeeld van wat dateringstechnieken hebben opgeleverd, is inzicht in de snelheid en ruimtelijke variatie van de zeespiegelstijging in Nederland en andere landen rond de Noordzee sinds de laatste ijstijd. Door systematische ouderdomsbepalingen (radiokoolstofdatering) en door vast te stellen hoe diep het basisveen in de Nederlandse ondergrond ligt, hebben onderzoeksteams de afgelopen halve eeuw op diverse plekken dit soort zeespiegelcurves kunnen reconstrueren. Daaruit blijkt dat de zeespiegel in deze periode in het noorden van Nederland relatief sneller steeg dan verder naar het westen en zuiden. Ook groeide het inzicht in processen die daaraan ten grondslag liggen.

Opkomst van groepswerk

Een tweede belangrijke trend in de fysische geografie is dat onderzoeksthema’s veel meer gewicht en slagkracht hebben gekregen. Was het tot 2000 vaak nog zo dat slechts één of enkele wetenschappers aan een thema werkte(n), nu zie je dat hele teams zich buigen over specifieke thema’s, vaak ondersteund door laboratoriumpersoneel en/of software engineers. In Nederland heb je teams op de Universiteit van Amsterdam, Rijksuniversiteit Groningen, Universiteit Utrecht, Vrije Universiteit Amsterdam en Wageningen Universiteit met eigen specialisaties én samenwerkingsverbanden. Zo bestaat het departement Fysische Geografie in Utrecht, met 75 medewerkers in vaste dienst en ruim 40 promovendi en postdocs, uit 6 groepen die zich achtereenvolgens richten op hooggebergtehydrologie en het gedrag van gletsjers inclusief de afvoer van smeltwater; natuurrampen; de ontwikkeling van vegetatie op hellingen; het gedrag en de morfologische ontwikkeling van rivier- en deltasystemen; de dynamiek van kusten en estuaria; en mondiale hydrologie waarin feitelijk de hele waterkringloop centraal staat, inclusief grondwater.

Het vermogen innovatief onderzoek te verrichten is door het teamwerk enorm toegenomen, getuige bijvoorbeeld het grote aantal artikelen in toonaangevende tijdschriften als Nature en Science in de afgelopen jaren. Vaak raken ze aan belangrijke mondiale vraagstukken zoals de zoetwatervoorziening voor agrarische activiteiten in grote deltagebieden als de Ganges-Brahmaputra en Mekong Delta.

Ook landelijk is een zekere clustering zichtbaar. Zo is in 1992 het Nederlands Centrum voor Kustonderzoek (NCK) opgericht, een platform met als gezamenlijk doel kustonderzoekers op te leiden, hen een podium te bieden en het Nederlandse kustonderzoek te promoten in het buitenland. Niet veel later kwam ook het Nederlands Centrum voor Rivieronderzoek (NCR) van de grond. Beide instituten organiseren jaarlijks workshops om de verbondenheid en samenwerking tussen de groepen in Nederland en Vlaanderen te bevorderen en in stand te houden.

Aarde als woonplaats met problemen

De derde trend is de relevantie van het werkveld in relatie tot tal van actuele wetenschappelijke uitdagingen en maatschappelijke vraagstukken. Meer dan ooit bevindt het vakgebied zich in het hart van de problematiek. Klimaatverandering, zeespiegelstijging, schaarste aan natuurlijke hulpbronnen zoals schoon drinkwater, de energietransitie, overstromingen, bodemerosie en aardverschuivingen: ze voltrekken zich allemaal aan het aardoppervlak en de fysische geografie houdt zich er volop mee bezig. De mens is daarbij niet alleen lijdend voorwerp maar ook regelmatig zelf oorzaak van het probleem, of versterkt dit. Denk aan de (extra) opwarming van de aarde en de daarmee gepaard gaande zeespiegelstijging, en aan de grootschalige bodemdaling en aardbevingen als gevolg van gaswinning.

In de afgelopen eeuw zijn problemen veelal benaderd met civieltechnische oplossingen: dammen, dijken voor waterbeheer, ontwatering en kunstmest voor de voedselproductie. We raken steeds meer doordrongen van de geringe houdbaarheid van deze aanpak. Systemen raken uitgeput en verliezen natuurlijke veerkracht. Denk aan deltasystemen die na bedijking niet kunnen meegroeien met zeespiegelstijging. En aan verdroging in de Nederlandse zandgebieden door (onder meer) snelle afvoer van water in gekanaliseerde beeksystemen. De laatste jaren is er hernieuwde interesse in hoe menselijk gebruik en natuurlijke processen kunnen samengaan. In het huidige regeerakkoord is opgenomen dat water en bodem sturend moeten zijn bij ruimtelijke planvorming. Voorlopers in deze nieuwe manier van denken zijn de grote projecten Ruimte voor de Rivier, en de Zandmotor voor de kust van Ter Heijde. Termen als nature-based solutions en building with nature weerspiegelen de nieuwe aanpak, en vergen fysisch-geografische systeemkennis.

Samenwerking met anderen

De betrokkenheid van het vakgebied bij grote maatschappelijke problemen is gepaard gegaan met een aantal andere ontwikkelingen. De complexiteit van de vraagstukken en de behoefte aan een integrale aanpak hebben geleid tot samenwerking met tal van andere wetenschappelijke disciplines en belangrijke maatschappelijke actoren en belanghebbenden. De multi-, inter- en transdisciplinaire samenwerking in onderzoek is de laatste jaren dan ook sterk gegroeid. Eerder richtte de samenwerking zich vooral op verwante disciplines in de natuur- en technische wetenschappen (onder andere geologie, biologie, ecologie, bodemkunde en civiele techniek). Nu zijn er ook intensieve contacten met de sociale en geesteswetenschappen, planologie, medische wetenschappen en informatica.

Fysisch geografen werken tegenwoordig in teams samen met archeologen, sociologen, medici, natuurkundigen, scheikundigen en rechtsgeleerden. Een fraai voorbeeld is het thema Geo-Health waarin fysisch en sociaal geografen de handen ineen hebben geslagen met medici van het UMC Utrecht om de ruimtelijke en temporele patronen van ziekten in kaart te brengen, onderzoek te doen naar de blootstelling aan schadelijke omgevingsfactoren (denk aan lucht- en watervervuiling, hittestress) en de mogelijke invloed van klimaatverandering op de verspreiding van ziekten. Zal bijvoorbeeld malaria na ruim een eeuw afwezigheid opnieuw de kop opsteken in Nederland? Of een tropische ziekte als dengue? Deze vorm van wetenschappelijke samenwerking heeft overigens een sterke impuls gekregen vanuit het besef in de medische wereld dat ziektebeelden vaak maar voor 50% te verklaren zijn door genetische eigenschappen en dat de andere 50% vaak te maken heeft met omgevingsfactoren.

Een ander sprekend voorbeeld is Mountain Hydrology (https://mountainhydrology.org), waarin fysisch geografen, hydrologen, meteorologen en klimaatexperts samen onderzoeken waar het water in de rivieren, en dan vooral in de Himalaya en de Alpen, vandaan komt (gletsjer, sneeuw, grondwater, regen), hoe dat door het jaar heen fluctueert en wat er in de komende decennia gaat gebeuren. Zo wonen benedenstrooms van de Himalaya zo’n 1 miljard mensen in Zuidoost-Azië, die op een of andere wijze afhankelijk zijn van het water dat rivieren brengen. Een internationaal team doet sinds 2002 onderzoek in de Himalaya. Een van de sleutelgebieden is Langtang, ongeveer 50 kilometer ten noorden van Kathmandu. Er zijn meteo-stations tot op grote hoogte geplaatst (> 5000 m) en met drones worden de gletsjers bestudeerd en de sneeuw- en ijsdynamiek gevolgd.

Een derde voorbeeld is de samenwerking tussen geofysici, fysisch geografen van de RUG, landschapshistorici, archeologen en bouwkundigen in het ontwikkelen van een aardbevingsmodel voor de Groninger ondergrond. Het doel is een inschatting te kunnen maken van de voortplanting van aardbevingstrillingen in de ondergrond, en de lokale effecten aan het oppervlak. Cultureel erfgoed bevindt zich veelal op terpen of wierden – locaties die tot voor kort niet werden meegenomen in de risicoanalyses. Om dat recht te trekken is de ruimtelijke variatie in het optreden van aardbevingen gemodelleerd voor gebieden met hoge bevolkingsdichtheden en veel cultureel erfgoed. Niet alleen werkten verschillende disciplines hierbij samen, ook werd internationale expertise gecombineerd met kennis van de regionaal-specifieke samenhang tussen fysisch-geografische kenmerken en cultuurhistorisch landschap.

Ook op de UvA is het fysisch-geografisch onderzoek vaak gelinkt aan meer interdisciplinaire benaderingen. Zo wordt landschapsinformatie gecombineerd met meteorologische modellen en weerradardata om vogeltrekpatronen te bestuderen; daarnaast worden vogels individueel gevolgd met gps-trackers. Met handheld lidar-scanners is zowel het terrein als de vegetatie heel nauwkeurig te bestuderen. Dat levert belangrijke inzichten op over hoe landschap ecologisch gedrag van vogels beïnvloedt. En deze kennis is ook van nut in de luchtvaart- en windmolenindustrie.

Een ander voorbeeld is onderzoek naar geodiversiteit op allerlei schaalniveaus – van landschap tot globale schaal – en hoe deze met de tijd verandert. Ruimtelijke patronen in geodiversiteit blijken ook een grote invloed te hebben op de ruimtelijke verdeling van biodiversiteit. Duurzaam rentmeesterschap van het landschap heeft bij kennis van biodiversiteit, juist ook in combinatie met geodiversiteit.

Verder participeren UvA-geografen in de ontwikkeling van integrale landschaps- en systeemkennis voor toegepast (geo-)ecosysteemmanagement en klimaatadaptatie. Kennis van bodem, landschap en gebruik komen hier samen om wetenschappelijk gefundeerd landschapsbeheer mogelijk te maken. Want terwijl er op grote schaal landschapsaanpassingen plaatsvinden, denk aan het creëren van stuifkuilen in de duinen, is er vaak onvoldoende wetenschappelijk onderzoek gedaan om zulke ingrepen te rechtvaardigen. Andere urgente vragen die een integrale benadering vergen: hoe moeten we met onze graslanden omgaan onder droogtestress en opwarming? En hoe beïnvloedt klimaatverandering de koolstof- en stikstofbalans van zulke landschappen, naast de impact van landbouwkundige ingrepen?

Partners buiten de universiteit

Ook de samenwerking van universiteiten met kennisinstellingen daarbuiten en met adviesbureaus en overheden is geïntensiveerd. Zij vormen voor de academische wereld vaak de schakel met de samenleving. Dat sluit aan bij de roep vanuit de politiek om maatschappelijke impact naast wetenschappelijke output. De wetenschappelijke inzichten vinden snel hun weg in de maatschappij in de vorm van concrete oplossingen voor problemen, beleidsmaatregelen, algoritmen en computermodellen.

Belangrijke partners voor de fysische geografie zijn hierin het RIVM, Deltares, Wageningen Environmental Research, het KNMI, TNO, en adviesbureaus als Arcadis, Tauw, Sweco, Witteveen & Bos en Royal HaskoningKHV Naast institutionele samenwerking is er ook sprake van personele unies: medewerkers van deze bedrijven en instellingen zijn actief binnen het universitaire onderwijs en onderzoek, bijvoorbeeld als deeltijd- of bijzonder hoogleraar en al dan niet in de vorm van een detachering. Ook het wetenschappelijk netwerk is de afgelopen jaren verder versterkt. Zo werkt de fysische geografie (UU, VU, WUR en RUG) sinds enige jaren zeer intensief samen met het Koninklijk NIOZ, het Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek, met vestigingen in Yerseke en op Texel. Deze samenwerking vormt ook de basis voor de onlangs ingestelde en succesvolle (interdisciplinaire) masteropleiding Marine Sciences aan de UU.

Globalisering onderzoek

De aandacht voor maatschappelijke en mondiale problemen heeft zich ook vertaald in globalisering en schaalvergroting van het onderzoek. Allereerst is sprake van een sterk gegroeide internationale samenwerking. Tal van Nederlandse fysisch geografen werken nauw samen met universiteiten, instellingen en onderzoekers in het buitenland. Dit is mede gefaciliteerd door fondsen binnen nationale en internationale onderzoekprogramma’s als van NWO (bijvoorbeeld Wotro, dat onderzoek stimuleert in lage- en middeninkomenslanden), KNAW (Koninklijke Nederlandse Academie der Wetenschappen), Europese Unie en Wereldbank.

Waar in het verleden veel aandacht uitging naar onderzoek in eigen land of regio (bijvoorbeeld de Rijn-Maasdelta), gaat het nu ook om meer generieke principes en ontwikkelingen die zich wereldwijd manifesteren. Nederland staat midden in dat onderzoek. Enerzijds beschikken we over uitzonderlijk veel data van de ondergrond (vele duizenden boringen), die ook nog eens goed ontsloten zijn via DINO (Data en Informatie van de Nederlandse Ondergrond) en BRO (Basisregistratie Ondergrond). Anderzijds wordt onze delta al millennia intensief gebruikt, waardoor langetermijneffecten van menselijke ingrepen, zoals bedijking, zichtbaar zijn. Nederlandse onderzoekers maken daar graag gebruik van en exporteren hun kennis. Omgekeerd kan onderzoek in het buitenland nieuwe en meer complete inzichten opleveren over de werking van natuurlijke landschapssystemen. Het Nederlandse, maar ook het Europese landschap is dermate door de mens beïnvloed, dat natuurlijke en antropogene ontwikkelingen vaak moeilijk van elkaar te scheiden, laat staan te begrijpen zijn.

Binnen de fysische geografie is de mondiale hydrologie inmiddels een belangrijk wetenschapsveld. Naast de regionale studies op de schaal van stroomgebieden bestuderen we nu processen op mondiale schaal, zoals de beschikbaarheid, kwaliteit en uitputting van mondiale grondwatervoorraden. Daarbij is sprake van een verbreding in de thematiek, doordat ook sociale, economische en culturele aspecten steeds meer worden meegenomen binnen de departementen van de UU, WUR, TUDelft en RUG.

Al met al is de fysische geografie de afgelopen decennia een discipline geworden die elke dag weer haar bestaansrecht weet te bewijzen. Ze verschaft inzicht in hoe landschapsprocessen werken, op welke tijd- en ruimteschalen, en hoe deze processen beïnvloed worden door menselijk gedrag en interventies. Het brede scala aan regionale, nationale en mondiale problemen in de leefomgeving, en de daaraan gerelateerde transities stellen ons voor ongekende uitdagingen op het gebied van duurzaamheid om planeet Aarde bewoonbaar en leefbaar te houden.

Met dank aan Tjalling de Haas, Maarten Kleinhans, Gerben Ruessink, Philip Kraaijenbrink, Erik Meijles en Erik Cammeraat.