Kleine dingen zijn belangrijk, tenminste als het gaat om oceaanelementen zoals golven en wervelingen. Uit een recente analyse onder leiding van NASA met gegevens van de SWOT-satelliet (Surface Water and Ocean Topography) blijkt dat oceaanelementen met een doorsnede van slechts anderhalve kilometer een grotere invloed kunnen hebben op de beweging van voedingsstoffen en warmte in mariene ecosystemen dan eerder werd gedacht.
Deze relatief kleine oceaanelementen, die te klein waren om goed te zien met eerdere satellieten maar te groot om in hun geheel te zien met instrumenten op schepen, vallen in een categorie die bekend staat als de submesoschaal. De SWOT-satelliet, een gezamenlijke inspanning van NASA en het Franse ruimteagentschap CNES (Centre National d'Études Spatiales), kan deze kenmerken waarnemen en laat zien hoe belangrijk ze zijn, omdat ze een groot deel van het verticale transport van voedingsstoffen, koolstof, energie en warmte in de oceaan aansturen. Ze beïnvloeden ook de uitwisseling van gassen en energie tussen de oceaan en de atmosfeer. “De rol die submesoscale kenmerken spelen in de oceaandynamiek maakt ze zo belangrijk”, zegt Matthew Archer, oceanograaf bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. Sommige van deze kenmerken worden genoemd in de animatie hieronder, die is gemaakt met behulp van SWOT-gegevens over de hoogte van het zeeoppervlak.
“Verticale stromingen verplaatsen warmte tussen de atmosfeer en de oceaan, en in submesoschale wervelingen kunnen ze warmte uit de diepe oceaan naar het oppervlak brengen, waardoor de atmosfeer opwarmt,” voegde Archer toe, die coauteur is van de submesoschaalanalyse die in april in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd. Verticale circulatie kan ook voedingsstoffen uit de diepzee omhoog brengen, die de mariene voedselwebben in oppervlaktewateren van voedsel voorzien zoals een gestage stroom voedselwagens festivalgangers bevoorraadt. “We kunnen niet alleen het oppervlak van de oceaan zien met een resolutie die 10 keer hoger is dan voorheen, maar we kunnen ook afleiden hoe water en materialen zich op diepte bewegen”, zegt Nadya Vinogradova Shiffer, SWOT-programmawetenschapper op het hoofdkantoor van NASA in Washington.
Fundamentele kracht
Onderzoekers zijn al tientallen jaren op de hoogte van deze kleinere wervelingen, of cirkelvormige stromingen, en golven. Vanuit de ruimte zagen Apollo-astronauten zo'n 50 jaar geleden voor het eerst zonlicht glinsteren van kleinschalige wervelingen. En door de jaren heen hebben satellieten beelden gemaakt van submesoschaal oceaanelementen, die beperkte informatie gaven over bijvoorbeeld hun aanwezigheid en grootte. Sensoren aan boord van schepen of instrumenten die in de oceaan zijn gedropt, hebben een gedetailleerder beeld opgeleverd van submesoscopische kenmerken, maar alleen voor relatief kleine delen van de oceaan en voor korte perioden.
De SWOT-satelliet meet minstens elke 21 dagen de hoogte van het water op bijna het hele aardoppervlak, inclusief de oceaan en zoetwaterlichamen. De satelliet geeft onderzoekers een multidimensionaal beeld van het waterniveau, dat ze kunnen gebruiken om bijvoorbeeld de helling van een golf of werveling te berekenen. Dit geeft op zijn beurt informatie over de hoeveelheid druk, of kracht, die op het water wordt uitgeoefend. Van daaruit kunnen onderzoekers achterhalen hoe snel een stroming beweegt, wat de drijvende kracht is en, in combinatie met andere soorten informatie, hoeveel energie, warmte of voedingsstoffen deze stromingen transporteren. “Kracht is de fundamentele grootheid die de beweging van vloeistoffen aandrijft”, zegt co-auteur Jinbo Wang, een oceanograaf aan de Texas A&M University in College Station. Als die grootheid eenmaal bekend is, kan een onderzoeker beter begrijpen hoe de oceaan en de atmosfeer op elkaar inwerken en hoe veranderingen in de één de ander beïnvloeden.
Priemgetallen
SWOT was niet alleen in staat om een submesoschaal werveling te vinden in een uitloper van de Kuroshio stroming - een belangrijke stroming in het westen van de Stille Oceaan die langs de zuidoostkust van Japan stroomt, maar de 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 6 tot 14 meter per dag. Dit is een relatief kleine hoeveelheid voor verticaal transport. Maar de mogelijkheid om deze berekeningen te maken voor wervelingen over de hele wereld, mogelijk gemaakt door SWOT, zal onderzoekers meer inzicht geven in hoeveel energie, warmte en voedingsstoffen zich verplaatsen tussen oppervlaktewater en de diepzee.
Onderzoekers kunnen soortgelijke berekeningen uitvoeren voor submesoschaal eigenschappen zoals een interne solitaire golf - een golf die wordt aangedreven door krachten zoals het getij dat over een onderwaterplateau klotst. De SWOT-satelliet zag een interne golf in de Andaman Zee, in het noordoostelijke deel van de Indische Oceaan bij Myanmar. Archer en collega's berekenden dat de energie in die eenzame golf minstens twee keer zo groot was als de hoeveelheid energie in een typische interne golf in die regio. Dit soort informatie uit SWOT helpt onderzoekers om hun modellen van oceaancirculatie te verfijnen. Veel oceaanmodellen zijn getraind om grote kenmerken te laten zien, zoals wervelingen met een doorsnede van honderden kilometers, aldus Lee Fu, SWOT-projectwetenschapper bij JPL en medeauteur van het onderzoek. "Nu moeten ze leren om deze kleinschaligere kenmerken te modelleren. Daar helpen SWOT-gegevens bij."
Onderzoekers zijn al begonnen om SWOT-gegevens over de oceaan op te nemen in sommige modellen, waaronder NASA's ECCO (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean). Het kan nog wel even duren voordat SWOT-gegevens volledig zijn opgenomen in modellen zoals ECCO. Maar als dat eenmaal het geval is, zal de informatie onderzoekers helpen beter te begrijpen hoe het ecosysteem van de oceaan zal reageren op een veranderende wereld.
De SWOT-satelliet is gezamenlijk ontwikkeld door NASA en CNES, met bijdragen van het Canadese ruimteagentschap (CSA) en het Britse ruimteagentschap. JPL wordt voor NASA beheerd door Caltech in Pasadena, Californië, en leidt de Amerikaanse component van het project. Voor de nuttige lading van het vluchtsysteem leverde NASA het Ka-band radarinterferometer (KaRIn) instrument, een GPS-wetenschapsontvanger, een laserretroreflector, een tweebundel microgolfradiometer en NASA-instrumentoperaties. Het Doppler Orbitography and Radioposition Integrated by Satellite systeem, de dual frequency Poseidon hoogtemeter (ontwikkeld door Thales Alenia Space), het KaRIn radiofrequentiesubsysteem (samen met Thales Alenia Space en met steun van de UK Space Agency), het satellietplatform en de grondoperaties werden geleverd door CNES. De KaRIn hoogvermogen zender werd geleverd door CSA.
Bron: NASA
