Kleurcodes kraken

Dit is een foto van de satelliet Sentinel 2. Deze satelliet kan veel verschillende kleurtinten apart zien, wat nodig is om de verschillende stoffen in het water te onderscheiden. Om dit plaatje te maken zijn alleen rood, groen en blauw gebruikt. Op deze foto is goed te zien dat zand, bijvoorbeeld op de stranden, een heldere kleur geeft. Dat komt omdat het veel van het zonlicht reflecteert. Hierdoor hebben de wadplaten en de delen waarin veel zand en slib is opgelost, zoals de Eems, ook een heldere kleur. Ver van de kust af, in de Noordzee, kleurt het water veel donkerder door afwezigheid van zwevende deeltjes. Ook in de diepere geulen tussen de eilanden is minder zand opgelost in het water. Ten noorden van Borkum zie je 'wolken' van zand en slib die met de ebstroom zijn meegevoerd uit de Waddenzee. De groenige kleur duidt op aanwezigheid van fytoplankton, de bruinachtige kleuren duiden op opgelost organisch materiaal of organisch slib. Het Lauwersmeer is opvallend donker van kleur, omdat daar minder refelcterend zand of slib in het water zit en meer absorberende stoffen zoals fytoplangton of organisch materiaal. Deze nemen het licht op als een spons, waardoor er minder licht wordt teruggekaatst naar de satelliet en het er donker uit ziet.

Basisvoedsel voor waterleven

Al ruim honderd jaar trekken onderzoekers, die de ‘waterkwaliteit’ van zoete en zoute wateren willen bepalen, eropuit gewapend met monsterflesjes. Die laten ze op de te onderzoeken plek in het water zakken en vollopen. De zo genomen watermonsters gaan in de zorgvuldig dichtgeschroefde flesjes mee naar een laboratorium om te worden geanalyseerd. Gebruikelijk in het waterkwaliteitsonderzoek zijn metingen van het gehalte chlorofyl-a in het water. Chorofyl-a is het belangrijkste bestanddeel van het ‘bladgroen’ waarmee planten zonlicht omzetten in het celmateriaal waaruit zij bestaan. Het fytoplankton, de minuscule eencellige ‘planten’ van zee en zoetwater, doet dat precies zo.

 

De hoeveelheid chlorofyl-a zegt dus iets over de hoeveelheid fytoplankton in het water. Fytoplankton vormt het basisvoedsel voor al het andere waterleven. Een zekere hoeveelheid fytoplankton in het water is dus gunstig, als voedselbron. Maar te veel fytoplankton kan schadelijk zijn. De rotting en afbraak van dood fytoplankton na een ‘bloei’ kan het water zuurstofloos maken en is daardoor dodelijk voor veel ander waterleven.

 

Hulp van satellieten

Het meten van het gehalte aan opgewervelde zand- en slibdeeltjes is nog zo’n standaardonderdeel van het onderzoek naar de waterkwaliteit, evenals de bepaling van de concentratie opgeloste organische stoffen. Zwevend zand en slib maakt het water troebel. Dat houdt het zonlicht tegen dat zeegrassen en wieren nodig hebben om te groeien. Opgeloste organische stoffen, afkomstig uit verteerd dood zeeleven of uit van landbouwgrond gespoelde mest, zijn voedsel voor bacteriën die, wanneer zij te snel groeien, ook zuurstofloos water kunnen veroorzaken.

 

‘Watermonsters ter plekke nemen en de analyse in het laboratorium kost veel tijd en geld’, vertelt Annelies Hommersom. ‘Een ander manco is dat de methode meestal alleen iets zegt over een beperkt deel van een waterlichaam. Het is onmogelijk om overal waterflesjes in het water te laten zakken.’

 

Het alternatief, vanuit de ruimte met satellieten waterkwaliteit meten, maakt tegenwoordig een stormachtige ontwikkeling door. Dit gebeurt aan de hand van de kleuren op door satellieten genomen foto’s van waterlichamen. Hommersom is een van de wetenschappers die hielp technieken ontwikkelen om dit mogelijk te maken. Na haar promotieonderzoek over het onderwerp werkt zij bij Water Insight, een bedrijf dat zulke technieken verder perfectioneert.

 

Kleurtinten

Sinds de lancering van onder meer satellieten van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA in 2015 en 2017, die foto’s kunnen maken met een verbeterde resolutie, zijn waarnemingen mogelijk aan de waterkwaliteit van ondiepe kustwateren zoals de Waddenzee. Eerder was dit lastig. Onder meer door de relatieve troebelheid van het water en de dynamiek van getijden en stromingen. De ESA-satellieten vliegen op een hoogte van ongeveer 800 kilometer meerdere keren per dag om de aarde. Daarbij maken zij foto’s van het aardoppervlak met een camera die in grote lijnen te vergelijken is met een consumentencamera, maar die gevoelig is voor verschillende golflengten licht. Hommersom: ‘In plaats van alleen rood, groen en blauw ziet zo´n satelliet verschillende tinten daarvan.’ ‘

 

Je kunt relatief makkelijk met een satelliet het gehalte chlorofyl-a in water meten’, legt Hommersom uit. ‘Het chlorofyl neemt uit het ‘witte’ zonlicht vooral blauw en rood licht op en dat geeft een groene kleur.’ De ‘groenheid’ van water op een satellietfoto levert dus een maat voor de hoeveelheid chlorofyl bevattend fytoplankton.

 

Toch ligt het ingewikkelder omdat in het water allerlei andere stoffen ook licht opnemen. Hommerson: ‘Water zelf absorbeert bijvoorbeeld rood, geel en groen, waardoor het er blauwig uit ziet. Zand reflecteert diverse kleuren sterk waardoor het water een lichte kleur krijgt. Slib en opgeloste organische materialen absorberen juist het blauwe en deels het groene licht, en water met veel van deze stoffen ziet er daarom donker en bruin uit.’

 

Vingerafdruk van kleur

In de analyse van satellietfoto’s gaat het erom om met wiskundige technieken - algoritmen - de door de satellietcamera waargenomen kleuren te koppelen aan bepaalde stoffen en pigmenten. Elke stof of pigment absorbeert licht van alleen bepaalde golflengten en heeft zo zijn eigen vingerafdruk van kleuren die het opneemt. Wat niet wordt geabsorbeerd, ‘ziet’ de satellietcamera. Daarnaast is het zaak dat wolken worden herkend die licht tegenhouden, en dat ook de grenzen tussen land en water worden opgemerkt – in het geval van de Waddenzee de grens tussen een zandplaat en water. ‘Inmiddels zijn de algoritmen die hiervoor worden gebruikt daar al behoorlijk goed in’, verzekert Hommersom.

 

De algoritmen voor het bepalen van de concentraties chlorofyl-a en zwevend slib worden steeds verfijnder. Dit gebeurt onder meer aan de hand van watermonsters genomen op het moment dat de satellieten overkomen, of daar zo dichtbij mogelijk. Hommersom: ‘Inmiddels kunnen we met behoorlijke zekerheid iets zeggen over de hoeveelheid fytoplankton in het Waddenzeewater en het gehalte aan zwevend slib. Het zou mooi zijn als dit soort satelliettechnieken meer worden ingezet. Ze geven een veel beter inzicht in de waterkwaliteit van een groot wateroppervlak en in korte tijd. En het milieu is erbij gebaat: schepen die nodig zijn om watermonsters te nemen, stoten CO2 uit en voor sommige van de laboratoriumanalyses zijn schadelijke chemicaliën nodig.’

 

Uit het WADDEN magazine

Dit artikel is verschenen in het WADDEN magazine van juni 2021, tekst Marcus Werner, foto's Water Insight, Henk Postma, Renate de Backere. Wil je het magazine ook ontvangen? Word lid van de Waddenvereniging vanaf €27,- per jaar, steun ons werk en ontvang het magazine 4x per jaar in de (digitale) brievenbus.