NASA en Franse SWOT-satelliet onthullen gedetailleerd overzicht van kleine oceaankenmerken

Zonlicht weerkaatst op het oceaanoppervlak nabij Norfolk, Virginia, in deze afbeelding van de ruimte shuttle uit 1991. De afbeelding benadrukt de wervelingen die zijn gecreëerd door interne golven, die ontstaan wanneer het tij over onderwaterkenmerken beweegt. Gegevens van de internationale SWOT-missie onthullen de rol van kleinere golven en wervelingen. Credit: NASA

Kleine dingen zijn van groot belang, vooral als het gaat om oceaankenmerken zoals golven en wervelingen. Een recente analyse geleid door NASA, met gegevens van de SWOT (Surface Water and Ocean Topography) satelliet, heeft aangetoond dat oceaankenmerken van slechts een mijl breed mogelijk een grotere impact hebben op de beweging van voedingsstoffen en warmte in mariene ecosystemen dan eerder werd gedacht.

Deze relatief kleine oceaankenmerken, die te klein zijn om goed te zien met eerdere satellieten maar te groot om in hun geheel te observeren met schepinstrumenten, vallen in een categorie die bekendstaat als de submesoschaal. De SWOT-satelliet, een gezamenlijke inspanning van NASA en het Franse ruimteagentschap CNES (Centre National d’Études Spatiales), kan deze kenmerken observeren en toont aan hoe belangrijk ze zijn voor het verticale transport van dingen zoals voedingsstoffen, koolstof, energie en warmte binnen de oceaan. Ze beïnvloeden ook de uitwisseling van gassen en energie tussen de oceaan en de atmosfeer.

“De rol die submesoschaal kenmerken spelen in de dynamiek van de oceaan maakt ze belangrijk,” zei Matthew Archer, een oceanograaf bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. Sommige van deze kenmerken zijn te zien in de animatie hieronder, die is gemaakt met SWOT-gegevens over de hoogte van het zeeoppervlak. “Verticale stromingen verplaatsen warmte tussen de atmosfeer en de oceaan, en in submesoschaal wervelingen kunnen ze zelfs warmte uit de diepe oceaan naar de oppervlakte brengen, waardoor de atmosfeer opwarmt,” voegde Archer toe, die co-auteur is van de submesoschaalanalyse die in april is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Verticale circulatie kan ook voedingsstoffen uit de diepzee omhoogbrengen, wat de mariene voedselwebben in oppervlaktewateren van voedsel voorziet, als een constante stroom van voedselwagens die festivalgangers van voedsel voorzien. “Niet alleen kunnen we het oppervlak van de oceaan zien met 10 keer de resolutie van voorheen, we kunnen ook afleiden hoe water en materialen op diepte bewegen,” zei Nadya Vinogradova Shiffer, SWOT-programma wetenschapper bij NASA Hoofdkantoor in Washington.

Deze animatie toont kleine oceaankenmerken — waaronder interne golven en wervelingen — die zijn afgeleid van SWOT-waarnemingen in de Indische, Atlantische en Stille Oceaan, evenals de Middellandse Zee. Wit en lichter blauw vertegenwoordigen hogere oceaanoppervlakten in vergelijking met donkerdere blauwe gebieden. De paarse kleuren die op één locatie worden getoond, vertegenwoordigen de snelheid van oceaanstromingen. Credit: NASA’s Scientific Visualization Studio

Onderzoekers zijn al tientallen jaren op de hoogte van deze kleinere wervelingen en golven. Vanuit de ruimte zagen Apollo-astronauten ongeveer 50 jaar geleden voor het eerst zonlicht weerkaatsen op kleine wervelingen. In de loop der jaren hebben satellieten afbeeldingen van submesoschaal oceaankenmerken vastgelegd, die beperkte informatie geven over hun aanwezigheid en grootte. Schepinstrumenten die in de oceaan zijn gedropt, hebben een gedetailleerder beeld opgeleverd van submesoschaal kenmerken, maar alleen voor relatief kleine gebieden van de oceaan en gedurende korte perioden.

De SWOT-satelliet meet de hoogte van water op bijna het hele aardoppervlak, inclusief de oceaan en zoetwaterlichamen, minstens één keer om de 21 dagen. De satelliet biedt onderzoekers een multidimensionaal overzicht van waterniveaus, waarmee ze bijvoorbeeld de helling van een golf of werveling kunnen berekenen. Dit levert op zijn beurt informatie op over de hoeveelheid druk of kracht die op het water in het kenmerk wordt uitgeoefend.

Van daaruit kunnen onderzoekers bepalen hoe snel een stroom zich verplaatst, wat het aandrijft en — in combinatie met andere soorten informatie — hoeveel energie, warmte of voedingsstoffen die stromingen transporteren. “Kracht is de fundamentele grootheid die vloeistofbeweging aandrijft,” zei co-auteur van de studie Jinbo Wang, een oceanograaf aan Texas A&M University in College Station. Zodra die grootheid bekend is, kan een onderzoeker beter begrijpen hoe de oceaan interactie heeft met de atmosfeer, en hoe veranderingen in de ene de andere beïnvloeden.

SWOT kon niet alleen een submesoschaal werveling in een vertakking van de Kuroshio-stroom — een belangrijke stroom in de westelijke Stille Oceaan die langs de zuidoostkust van Japan stroomt — identificeren, maar onderzoekers waren ook in staat om de snelheid van de verticale circulatie binnen die werveling te schatten. Toen SWOT het kenmerk observeerde, was de verticale circulatie waarschijnlijk 20 tot 45 voet (6 tot 14 meter) per dag. Dit is een relatief kleine hoeveelheid voor verticale transport.

Echter, de mogelijkheid om die berekeningen voor wervelingen over de hele wereld te maken, mogelijk gemaakt door SWOT, zal het begrip van onderzoekers verbeteren over hoeveel energie, warmte en voedingsstoffen er tussen oppervlaktewateren en de diepzee beweegt. Onderzoekers kunnen soortgelijke berekeningen maken voor submesoschaal kenmerken zoals een interne solitaire golf — een golf die wordt aangedreven door krachten zoals het tij dat over een onderwaterplateau schuift. De SWOT-satelliet zag een interne golf in de Andamanse Zee, gelegen in het noordoostelijke deel van de Indische Oceaan, voor de kust van Myanmar. Archer en zijn collega’s berekenden dat de energie in die solitare golf minstens twee keer de hoeveelheid energie was in een typische interne tij in dat gebied.

Deze informatie van SWOT helpt onderzoekers hun modellen van oceaancirculatie te verfijnen. Veel oceaanmodellen waren getraind om grote kenmerken te tonen, zoals wervelingen van honderden mijlen breed, zei Lee Fu, SWOT-projectwetenschapper bij JPL en co-auteur van de studie. “Nu moeten ze leren om deze kleinere kenmerken te modelleren. Dat is waar gegevens van SWOT bij helpen.” Onderzoekers zijn al begonnen om SWOT-oceangegevens in enkele modellen op te nemen, waaronder NASA’s ECCO (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean). Het kan enige tijd duren voordat SWOT-gegevens volledig deel uitmaken van modellen zoals ECCO. Maar zodra dat het geval is, zal de informatie onderzoekers helpen beter te begrijpen hoe het oceaanevenwicht zal reageren op een veranderende wereld.