Kees Floor, Zenit oktober 2004 en Schip en Werf De Zee, november
2004
Het aardoppervlak bestaat voor tweederde uit water. Geen wonder dat de kunstmanen die in een baan om de aarde zijn gebracht om haar onafgebroken te kunnen bestuderen, een veelheid van beelden genereren van zeeën en oceanen. De satellietfoto's tonen een minder eenzijdig beeld van al die grote wateroppervlakken dan je in eerste instantie wellicht zou verwachten. Dat komt doordat er in de oceaan, van alles aan de hand is. Bijgaande figuren geven een indruk van wat er zo al te zien is.
| |
| Figuur 2. Het water van de Caribische Zee en de Atlantische Oceaan is over het algemeen diepblauw. Boven ondiepe banken is de tint in uiterst helder water, zoals op dit satellietbeeld van Florida, Cuba en de Bahama's, aanzienlijk lichter van tint. De banken maken deel uit van het continentale plat en liepen onder na het smelten van de ijskap na de laatste ijstijd. Datum: 24 januari 2004. Satelliet: Terra. Instrument: MODIS. Bron: NASA |
Als zonlicht
invalt op het oceaanoppervlak, treden verscheidene effecten op die bekend zijn
uit de optica. De belangrijkste daarvan zijn terugkaatsing, verstrooiing en absorptie.
De terugkaatsing van zonlicht is gewoonlijk een weinig efficiënt proces,
zodat er maar weinig licht van de oceaan de sensor van een satelliet kan bereiken.
Absorptie verwijdert selectief bepaalde kleuren uit het licht, terwijl andere
kleuren juist worden doorgelaten. Bij de verstrooiing zijn vooral deeltjes betrokken
die in het water rondzweven, bijvoorbeeld aangevoerd door rivieren; de absorptie
wordt vooral veroorzaakt door het chlorofyl van eventueel aanwezig fytoplankton.
Het resultaat van de interactie tussen de verschillende optische processen is
wisselend, en daarmee ook de tint en de kleur van de oceaan zelf. Doorgaans heeft
helder oceaanwater op satellietbeelden een diepblauwe tint; het meeste licht dat
vanuit de oceaan door watermoleculen wordt teruggestrooid is namelijk blauw van
kleur. De blauwe kleur is onder meer duidelijk te zien op de Middellandse Zee
in het satellietbeeld van figuur 1. De diepblauwe tinten doen zich vooral voor
in diep water; boven ondiepe banken kan de zee in helder water veel lichtere blauwtinten
vertonen (figuur 2).
Oceaanwater kan echter meer bevatten dan alleen maar
water. Soms aanwezig zand en slib doet het oceaanoppervlak het van tint veranderen.
Dat gebeurt in de buurt van de kust, waar rivieren in zee uitkomen en waar het
ondiep water door getijwerking en stormen zo sterk in beroering wordt gebracht
dat 'wolken' zand- en slibdeeltjes van de bodem omhoog komen en het wateroppervlak
een bruinige tint doen aannemen. Dat is bijvoorbeeld te zien op figuur 3, waar
door Myanmar (Birma) stromende rivieren sediment afvoeren naar de Indische Oceaan.
Figuur 3. Door Myanmar
(Birma) stromende rivieren voeren zand en slib naarde Indische Oceaan. Datum:
4 december 2002. Satelliet: Terra. Instrument: MODIS. Bron: NASA. |
Figuur 4: Algenbloei in de Barentszee ten
noorden van Noorwegen. Datum: 19 juli 2003. Satelliet: Aqua. Instrument: MODIS.
Bron: NASA. |
Fytoplankton
Een andere, veel belangrijker oorzaak van afwijkende kleuren van het oceaanoppervlak
vormt fytoplankton. Fytoplankton is een verzamelnaam voor microscopisch kleine,
eencellige planten in de oceaan. Het komt er in grote hoeveelheden in voor en
vormt de basis van de voedselketen. Het dient als voedsel voor kleine visjes,
maar ook voor sommige soorten walvissen. Grotere vissen eten de kleintjes en worden
op hun beurt door vogels gegeten of komen terecht in de netten van vissers om
vervolgens door de mens te worden verorberd.
Om te groeien heeft fytoplankton
zonlicht, water en voedingsstoffen nodig. Het water vormt in de oceaan uiteraard
geen probleem. Doordat het meeste zonlicht beschikbaar is aan het oceaanoppervlak,
komt fytoplankton daar het vaakst voor. Net als bomen, planten en struiken op
het vasteland, bevat fytoplankton de kleurstof chlorofyl die verantwoordelijk
is voor een groene kleur. Chlorofyl wordt gebruikt voor de zogeheten fotosynthese,
waarbij zonlicht benut kan worden als energiebron voor de plant. Deze energie
is nodig om uit water en koolstofdioxide (CO2) koolwaterstoffen te verkrijgen
die dienen als bouwstenen voor groei. Naast water en CO2, beide in ruime mate
voorradig, zijn er echter ook nog andere voedingstoffen nodig om te overleven,
zoals ijzer. Deze extra voedingsstoffen zijn vooral te vinden in gebieden met
koud oceaanwater, waar voedselrijk oceaanwater uit de diepte omhoog komt in een
proces dat 'opwelling' wordt genoemd. Ook dragen rivieren niet alleen water, maar
ook voedingsstoffen naar de zee. Grote hoeveelheden fytoplankton worden dan ook
vooral aangetroffen in gebieden met opwelling en in de buurt van de kust, waar
rivieren op zee uitkomen.
Opwelling treedt onder andere op bij Afrika voor
de kust van Namibië en bij Zuid-Amerika voor de kust van Peru. Als het oppervlaktewater
voor de kust van Peru warmer is dan normaal, wordt de opwelling tegengewerkt en
verdwijnt het fytoplankton, evenals de vis en de zoogdieren die ervan afhankelijk
zijn voor hun voeding. Dergelijke perioden staan bekend als El Niño.
Ook al zijn afzonderlijke organismen microscopisch klein, toch kan het fytoplankton
tijdens algenbloei immens gedijen en de kleur van het oceaanoppervlak zo sterk
beïnvloeden dat het vanuit de ruimte kan worden waargenomen. Door de aanwezigheid
van chlorofyl gaat het, afhankelijk van de fytoplanktonsoort, om groene of blauwgroene
tinten. Het tintverschil wordt duidelijk door vergelijking van de waterkleur van
de Middellandse Zee (blauw, weinig of geen fytoplankton) en de Zwarte Zee (algenbloei)
in het satellietbeeld van figuur 1.
Fytoplankton leeft ongeveer twee dagen;
daarna sterft het af en zinkt het naar de bodem. Daar worden de restanten afgebroken
door bacteriën.
| |
Figuur 5: Zwavelpluim
voor de kust van Namibië. Datum: 9 januari 2003. Satelliet: Terra. Instrument:
MODIS. Bron: NASA. |
|
Zwavel
Een gebied waar van tijd tot tijd door opwelling
veel voedingstoffen aan het wateroppervlak komen, bevindt zich op de zuidelijke
Atlantische Oceaan voor de kust van Namibië. Daar komt algenbloei dan ook
geregeld voor. Soms treden echter afwijkende kleuren op; vergelijk bijvoorbeeld
het melkachtig groen van figuur 4 met de tinten van de algenbloei in de Barentszee
(figuur 4) en de Zwarte Zee (figuur 1). Dergelijke melkgroene tinten ontstaan
als de bacteriën die zich ophouden bij de bodem en normaliter de restanten
van het fytoplankton afbreken, alle zuurstof verbruikt hebben. De afbraak van
de fytoplanktonresten wordt dan overgenomen door een andere bacteriesoort. Deze
bacteriën maken bij het afbraakproces gebruik van een vorm van zwavel en
hebben als bijproduct zwavelwaterstofgas (H2S). Aanvankelijk houdt het sediment
op de bodem het gas nog vast; als de opslagcapaciteit echter is uitgeput, ontsnapt
het gas uit de zeebodem en stijgt op naar het wateroppervlak. Wanneer het gas
in de bovenste lagen van de oceaan in een zuurstofrijkere omgeving terecht komt,
wordt het deels omgezet in zwavel. De zwavel is wit van tint en veroorzaakt de
melkgroene kleur op het satellietbeeld van figuur 5. Naarmate het proces langer
voortduurt, wordt de kleur groener, een combinatie van het geel van het zwavel
en het blauw van het water.
De locale bevolking langs de kust van Namibië
is gewend aan de incidentele rotte-eierenlucht van zwavelwaterstofgas, al blijft
het gas giftig en de geur onprettig. De dieren en organismen die de zeebodem bevolken
hebben echter een grote hekel aan de zuurstofarme omgeving met het stinkende en
giftige H2S. De kreeften in dat gebied maken dat ze wegkomen en trekken soms massaal
het strand op. De tegelijkertijd optredende vissterfte maakt het foerageren voor
de zeemeeuwen zeer eenvoudig.
Fytoplanktonconcentraties
Satellietbeelden van algenbloei zoals op de Zwarte Zee in figuur 1 en in de Barentszee
in figuur 4, geven een momentopname van gebieden met relatief grote hoeveelheden
fytoplankton. Onderzoekers gebruiken metingen van dezelfde satellietplatforms
echter tevens om fytoplanktonconcentraties wereldwijd in kaart te brengen (figuur
6). In feite bepaalt men de kleur van de oceaan; het basisprincipe bij de meting
is: hoe meer fytoplankton, des te groener het water en hoe minder hoe blauwer.
De microscopisch kleine waterplantjes geven inzicht in veranderingen die optreden
aan het oceaanoppervlak. Bovendien kunnen ze tijdens de fotosynthese uit de atmosfeer
immense hoeveelheden CO2 opnemen, zodat ze een belangrijke rol spelen in het klimaat
van de aarde, Het fytoplankton geldt verder als een graadmeter voor de 'gezondheid'
van de oceaan. Het in kaart brengen van de kleur van de oceaan kan daardoor tevens
een rol spelen bij het beheer van de visstand en de toekenning van vangstquota.
De sensoren op de satellieten kunnen de kleurmeting vrij gedetailleerd uitvoeren,
want ze zijn veel beter in staat kleurverschillen te onderkennen dan het menselijk
oog. Probleem is wel dat ze straling meten ongeacht plaats van herkomst. De atmosfeer
kan het beeld dat van de oceaan gevormd wordt, vertroebelen, bijvoorbeeld bij
aanwezigheid van dunne, doorzichtige bewolking, van stof en zand (zie Zenit mei
en september 2003) of van rook en andere vormen van luchtverontreiniging (zie
Zenit oktober en november 2003). Ook weerspiegelingen van zonlicht in het wateroppervlak
geven geen representatief beeld van de kleur van de oceaan (zie Zenit maart 2004).
Figuur 6 geeft de gemiddelde chlorofylconcentratie in de oceaan, zoals gemeten
door het SeaWiFS-instrument in de periode oktober 1997 tot en met april 2002.
Het beeld toont een duidelijk verband tussen het plantaardig leven in de oceaan
enerzijds en de natuurkundige en scheikundige processen in de oceaan, zoals temperatuurverschillen
en opwelling in de buurt van de kust, anderzijds. In de buurt van de kust zit
meer chlorofyl, en dus meer fytoplankton. Ook zijn de concentraties in de noordelijke
oceanen hoger dan in de zuidelijke.