Innovatieve technieken in de fysische geografie
Meten is weten
Drones, terrestrische laserscanners, grote schaalmodellen, luminescentiedateringen: de hedendaagse fysisch geograaf beschikt over een arsenaal aan technieken waarvan voorgangers niet eens konden dromen. We duiken hier wat dieper in de mogelijkheden.
Op vrijwel alle terreinen van onderzoek en onderwijs tref je tegenwoordig simulatiemodellen aan. Vaak hebben deze een typisch ruimtelijk-temporele component die het fysisch-geografische werk met modellen onderscheidt van simulatiemodellen in andere vakgebieden. Het kustenonderzoek maakt bijvoorbeeld gebruik van modellen als XBeach en Delft3D Flexible Mesh om golven, stromingen en sedimenttransport te simuleren en zo morfologische veranderingen en processen van het strand en de duinen aan de Nederlandse kust te bestuderen.
Binnen de fysische geografie worden modellen van elders gebruikt, maar ook ‘in huis’ ontwikkeld om ruimtelijk-dynamische processen te simuleren en informatie te destilleren uit video- en remote sensing-beelden. Een bekend en wereldwijd gebruikt geografisch modelleersoftwarepakket is PCRaster Environmental Software (https://pcraster.geo.uu.nl/), geïnitieerd door de Britse geograaf Peter Burrough en doorontwikkeld door Derek Karssenberg van de Universiteit Utrecht. Met dit pakket kan de specialist zelf modellen bouwen om landschapsprocessen na te bootsen op de computer, en scenario’s van klimaatverandering of menselijke ingrepen uit te werken. PCRaster kent wereldwijd honderden gebruikers en vormt de basis voor het Europese overstromingswaarschuwingssysteem EFAS (European Flood Alert System) en voor het mondiale PCRGlob, dat de beschikbaarheid van water als natuurlijke hulpbron modelleert en voorspelt. Deze ontwikkelingen hebben er tevens voor gezorgd dat fysisch-geografische instellingen hebben geïnvesteerd in rekencapaciteit met lokale Linux- en Windows-servers of high-performance computers. Waar lokale rekencapaciteit nu tekortschiet, maken onderzoekers steeds meer gebruik van de nationale rekenfaciliteiten binnen het collectieve SURF, zoals Snellius. Kortom: fysisch-geografisch onderzoek zou niet meer zonder grote rekencapaciteit kunnen.
Metronoom en delta’s
Nederland bevindt zich in een laaggelegen deltagebied, met een zeer intensief, multifunctioneel gebruik van de beschikbare ruimte. Natuurlijke risico’s en gevaren lijken ver weg en zeldzaam, maar op geologische tijdschaal zijn de risico’s van overstromingen, stormen, bodemdaling en zeespiegelstijging aanzienlijk. Met fysische schaalmodellen in laboratoria vergroten we onze kennis van hoe een langzaam dalende delta met rivieren functioneert. En hoe de mens maatregelen kan nemen om de maatschappij te beschermen tegen natuurrampen zoals overstromingen, en tegelijkertijd de ecologische waarden en recreatiemogelijkheden van deze gebieden te behouden. De Metronoom is een groot schaalmodel gebouwd in het Earth Simulation Lab in Utrecht en laat prachtig zien hoe we beter begrijpen hoe getijdenstromingen werken, hoe sedimentatie plaatsvindt en waar, en wat de interactie is tussen zeestromingen, kust, estuaria, vegetatie, rivieren en menselijk ingrijpen. De Metronoom is ontwikkeld en gebouwd onder leiding van Maarten Kleinhans (UU). Het is een goot van 3 bij 20 meter die elke halve minuut op en neer beweegt en zo de getijden nabootst. Het kantelen leidt tot de vorming van fraaie estuariene bekkens en riviermondingen in deze proefopstelling. Bezoek de website van de Metronoom en grasduin in de uitkomsten en animatie van dit laboratoriumschaalmodel.
Aardverschuivingen: lab en drones
In hetzelfde Earth Simulation Lab staat de Aardverschuivingsimulator. Aardverschuivingen komen voor in bergachtige gebieden en kunnen diverse vormen aannemen, zoals rotslawines, bergstortingen en aard- en modderstromen. Tijdens de overstromingen in Duitsland, België en Nederland in juli 2021 ging veel aandacht naar de ravage veroorzaakt door hoog en snelstromend water. Er ontstond echter ook veel schade door massabewegingen en modderstromen.
De Aardverschuivingsimulator is een stroomgoot van 5,5 meter om modder- en puinstromen op schaal na te bootsen. De onderzoeker kan de samenstelling van het materiaal – grof of fijn, nat of droog, wel of niet cohesief – gecontroleerd variëren. De stroomgoot is omringd door instrumenten om precies te kunnen waarnemen wat er gebeurt tijdens de massabeweging. Zo meten puntlasers de stromingsdiepte, een weegcel registreert de normaalkrachten en fluctuaties daarin, een geofoon meet trillingen in de bodem veroorzaakt door de stroming, en een 3D-scanner legt de erosie vast en de structuur van de lobben bij het uitstroompunt (figuur 1). Deze informatie wordt gebruikt om modellen te bouwen die ons leren hoe je massabewegingen kunt voorkomen dan wel hoe je je ertegen kunt beschermen.
In het veld worden deze aardverschuivingen bestudeerd met drones. Vaak wordt gebruik gemaakt van drone-opnamen om alle kleine bewegingen te kunnen volgen. Deze beelden hebben een veel hogere resolutie dan die van een satelliet. Bovendien: satellietbeelden van een specifiek gebied zijn slechts om de vijf tot vijftien dagen beschikbaar. Willen we aardverschuivingen bestuderen, dan hebben we daarvan maar een beperkt aantal satellietopnamen. Drones zijn voor allerlei veldtoepassingen flexibel in te zetten, je neemt ze mee in je rugzak en je kunt zelfs opnamen maken als het bewolkt is. De afgelopen vijftien jaar is er grote vooruitgang geboekt met het verwerken van dronebeelden. Van honderden losse foto’s kun je nu snel een fotomozaïek en een digitaal hoogtemodel berekenen dankzij structure from motion-algoritmen. Door de tijdseries van hoogtemodellen op centimeterresolutie te vergelijken, is iedere beweging aan het oppervlak detecteerbaar. Visuele interpretatie van de fotomozaïeken zijn uitermate nuttig om de berekende deformaties te controleren. Figuur 2 illustreert zo’n analyse van hoogtemodellen berekend uit dronebeelden. De vectoren tonen de bewegingsrichting en afstand.
Fysisch geografen gebruiken drones voor onderzoek naar duinmobiliteit, rivieroever-erosie, stroomsnelheid van gletsjers, vegetatie- en biodiversiteitontwikkeling, enzovoorts.
Hooggebergte als watertoren
De opwarming van de aarde beïnvloedt de hooggebergten wereldwijd. Gletsjers en ijskappen smelten en daarmee verandert de waterhuishouding in tijd en ruimte. Dit raakt de benedenstroomse gebieden, waar vele mensen afhankelijk zijn van water uit de bergen. Onderzoek in het hooggebergte heeft de laatste jaren enorm geprofiteerd van automatische weerstations, drones die gletsjers en sneeuwvelden in detail monitoren, en tijdseries van satellietbeelden om regionale veranderingen op te sporen. Omdat hooggebergte zeer ontoegankelijk is, kiezen onderzoekers voor een combinatie van innovatieve meettechnieken, satellietbeelden en simulatiemodellen.
Zo ook in de Himalaya. Veel weerstations bevinden zich daar laag in de valleien of in bebouwd gebied. Metingen van deze stations zijn geenszins representatief voor wat er in het hooggebergte gebeurt. In Langtang zijn tientallen stations opgesteld die tot op grote hoogte neerslag en andere meteorologische variabelen meten. Zo’n geavanceerde opstelling registreert zowel de regen- als sneeuwval met een nauwkeurig weegsysteem. Een ultrasone sensor stelt de sneeuwdikte, luchtvochtigheid en luchttemperatuur vast. Met deze opstelling kan bepaald worden hoeveel regen en sneeuw er elk uur valt. Ieder half jaar moeten er mensen naar het station om de gegevens met de computer uit te lezen en het instrument te onderhouden in deze barre omstandigheden.
Sneeuwsmelt speelt in de Himalaya een belangrijke rol in de watercyclus, maar er zijn sneeuwprocessen die we nog steeds niet goed begrijpen. Een daarvan is sublimatie, de directe overgang van sneeuw naar waterdamp. Deze ‘turbulente flux’, ook wel latente warmtestroom genoemd, is moeilijk te meten. Met een eddy-covariantie-meetopstelling is deze voor het eerst in kaart gebracht in de Himalaya. Door tien keer per seconde de variatie in luchtvochtigheid en wind te meten, is de turbulente flux gereconstrueerd. Onderzoek wijst uit dat tot wel 20% van alle sneeuwval via sublimatie in de atmosfeer verdwijnt.
De gletsjers vormen een belangrijke bron van water. Zoals overal in de Himalaya zijn veel gletsjertongen bedekt met puin van de steile hellingen rondom. Een dunne laag puin versnelt de smelt, omdat het puin de zon minder reflecteert (albedo-effect) dan ijs/sneeuw, terwijl een dikke laag puin juist een isolerende werking heeft. Ook meertjes en ijskliffen op de tong blijken de smelt enorm te versnellen. Drones worden gebruikt om deze gletsjers en het afsmelten te observeren met hoge-resolutiebeelden (20 cm). Deze combinatie van meettechnieken, satellietbeelden en modellen heeft belangrijke inzichten opgeleverd in de watercyclus van het hooggebergte. Er blijven nog veel vragen over, maar met de steeds betere en goedkopere sensoren, hogere resolutie satellietbeelden en modellen is op korte termijn veel winst te behalen in het verder begrijpen van de ‘watertorens van de wereld’.
Geavanceerde dateringstechnieken
Het aardoppervlak verandert continu en om te doorgronden waardoor veranderingen optreden en hoe snel ze gaan, is informatie uit het verleden nodig. Gegevens tot enkele decennia terug zijn te distilleren uit meetreeksen, historische gegevens en satellietopnames. Andere natuurlijke processen gaan te langzaam of komen te weinig voor om binnen decennia verandering waar te nemen. Om toch te begrijpen hoe langzame processen en extreme gebeurtenissen elkaar beïnvloeden, hoe ze interacteren met snelle menselijke processen, en het aardoppervlak veranderen, moeten we putten uit natuurlijke archieven en werken met dateringsmethoden. Boomringen zijn een mooi voorbeeld van een natuurlijk archief, met informatie over de ouderdom en de groeiomstandigheden. De ouderdom wordt gegeven door het aantal ringen geteld vanaf de bast van een net afgezaagde boom. De dikte van de ring bevat informatie over de groeiomstandigheden in een specifiek jaar. Bij veel andere natuurlijke archieven kun je echter niet simpelweg jaren tellen en zijn meer geavanceerde metingen nodig. De ontwikkeling van zulke dateringsmethoden is een katalysator geweest van fysisch-geografisch onderzoek. Twee in Nederland veel gebruikte methoden zijn radiokoolstofdatering en luminescentiedatering.
Radiokoolstofdatering
Met deze techniek is de ouderdom van organisch materiaal te bepalen. Levende organismen nemen koolstof op uit hun omgeving. Planten doen dit door fotosynthese, en dieren door de planten op te eten. Een zeer klein deel van deze koolstof is van nature radioactief. Na de dood van het organisme halveert de concentratie van deze radioactieve koolstof elke 5730 jaar, de halfwaardetijd van de radionuclide. Door te meten welk deel van de koolstof in een dood organisme radioactief is, kunnen we bepalen hoe lang geleden het organisme is overleden. Op deze manier is bijvoorbeeld de ouderdom van plantenresten (veen, hout, zaden), houtskool en botten vast te stellen. Met radiokoolstof is het mogelijk zo’n 40.000 jaar terug in de tijd te kijken. Bij nog oudere monsters is de concentratie radiokoolstof te ver afgenomen om betrouwbaar te meten. De methode is in het midden van de 20e eeuw ontwikkeld, waarbij de Rijksuniversiteit Groningen een belangrijke rol heeft gespeeld.
Luminiscentiedatering
Deze methode is complementair aan radiokoolstofdatering, omdat deze werkt op ander materiaal en een ander bereik heeft. Wat beide methoden wel gemeen hebben, is dat ze gebruik maken van natuurlijke radioactiviteit. Bij luminescentiedatering wordt bepaald wanneer kwarts en veldspaatmineralen, de voornaamste bestanddelen van sediment, voor het laatst zijn blootgesteld aan licht. Zo wordt duidelijk wanneer zandkorrels werden afgezet en begraven, en kun je bijvoorbeeld rivierafzettingen en duinen dateren. Het luminescentiesignaal van de mineralen is nul bij (zon)lichtblootstelling tijdens transport van de korrels, en bouwt na begraving op onder invloed van natuurlijke achtergrondstraling. Luminiscentiedatering heeft een zeer breed bereik, van enkele jaren tot een half miljoen. De methode is ruim vijftig jaar geleden ontwikkeld, maar brede en betrouwbare toepassing is pas sinds het eind van de 20e eeuw mogelijk. In Nederland wordt deze methode toegepast bij het Nederlands Centrum voor Luminescentiedatering in Wageningen.
Kustonderzoek met geavanceerde meetapparatuur
Het meten aan processen die leiden tot morfologische veranderingen in de kustzone, kent binnen de fysische geografie een lange traditie. Al vanaf de jaren 90 werden grote frames op de bodem van de Noordzee gezet om de eigenschappen van golven, stroming en zandtransport met hoge frequentie (enkele metingen per seconde) gedurende weken te meten. Deze data hebben aanzienlijk bijgedragen aan het bouwen en testen van simulatiemodellen voor kustontwikkeling.
Eind jaren 90 vond in Egmond aan Zee een van de grootste internationale meetcampagnes met zulke frames plaats, waarbij ook Belgische, Franse, Britse en Amerikaanse wetenschappers betrokken waren. Geleidelijk verschoof de aandacht van meten op zee naar meten op het strand. Dat gebeurde met een geavanceerd frame voor detailmetingen van de waterbeweging en het zandtransport onder brekende golven. Het frame zit vol met akoestische en optische apparaten, die technici van het toenmalige Fysisch Geografisch Laboratorium in Utrecht afstelden tot een synchroon metend systeem. Op de foto (openingsbeeld) is het laag water, enkele uren later wordt het vloed, breken de golven bij het frame en worden de metingen verricht. Veel van de verkregen data zijn gebruikt voor het verbeteren van modellen die duinerosie voorspellen, zoals XBeach.
Sinds tien jaar richten de metingen zich op de processen die na een zware storm zorgen dat de duinen weer aangroeien. Dit gebeurt onder invloed van de wind. Technici hebben apparatuur ontwikkeld om het stuiven van het zand tot in detail te registreren. Zulke metingen nemen vaak niet meer dan enkele uren in beslag. Ook het meten aan de groei van duinen heeft een enorme vlucht genomen. Het Earth Simulation Lab in Utrecht beschikt nu over een geavanceerde terrestrische laserscanner, die boven op een auto gemonteerd kan worden. Terwijl de auto met zo’n 10 km/uur over het strand rijdt, legt de scanner de strand- en duinmorfologie langs de kust vast. Waar de onderzoekers vroeger per dagdeel slechts enkele dwarsraaien konden inmeten met technieken als waterpassen, scannen ze nu het hele gebied met vele tientallen punten per vierkante meter. In 2013 is hiermee begonnen tussen Egmond en Castricum aan Zee en de meting wordt nu drie tot vier keer per jaar herhaald. Dit heeft inmiddels een van de langste tijdseries van duinherstel opgeleverd. Aan de landzijde van het voorduin zetten de onderzoekers drones in om de topografie en vegetatie-eigenschappen vast te leggen. Steeds vaker richten metingen zich ook op de vegetatie: duinen, en ook andere kustlandschappen als kwelders zijn ‘levende’ landschappen door de interactie tussen vegetatie en fysische processen, zoals wind- en waterstroming. Hiermee hebben de metingen een bio-geomorfologisch karakter gekregen.
Riverscape en rivierbeheer
Communiceren over wetenschappelijk onderzoek en de resultaten daaruit heeft de laatste decennia een hoge vlucht genomen. Het is belangrijk het publiek in te lichten, maar vooral ook de politici, beleidsambtenaren en managers. Het is in de communicatie belangrijk niet alleen wetenschappelijke kennis en inzichten over te dragen, maar ook te wijzen op onzekerheden van (model)uitkomsten en op de gevolgen van door de politiek gekozen scenario’s. Dit alles liefst aan de hand van duidelijke visualisaties en animaties. Binnen het RiverCare-project (https://kbase.ncr-web.org/rivercare/goals/) hebben Menno Straatsma en zijn team aan de UU een tool ontwikkeld om de gevolgen van ingrepen in onze delta en rivieren inzichtelijk te maken. De RiverCare-tool maak aan de hand van sets van storylines de gevolgen van ingrepen inzichtelijk voor rivierbeheerders en het brede publiek. Neem zelf een kijkje en ga aan de slag met diverse rivier-inrichtingsopties.