Dit artikel hoort bij: KNMI specials 06

Volautomatisch meten hoe warm en hoe zout het is

Boven de oceanen kan het flink spoken. En grote delen zijn bedekt met ijs. Daardoor zijn de oceanen niet altijd en overal toegankelijk voor onderzoeksschepen. Om toch voldoende gegevens te verzamelen, ontwikkelde het Argo-programma meetboeien. Volautomatisch meten die hoe warm en hoe zout het oceaanwater is. Horizontaal verplaatsen ze zich door met de stroming mee te drijven, verticaal met behulp van een buitenboordballon. Om de tien dagen sturen ze hun gegevens naar een satelliet. Die zijn daarna binnen 12 uur vrij beschikbaar – en niet alleen voor klimaatwetenschappers, maar voor iedereen die ze wil gebruiken. 

Tien dagen kopje-onder, en dat 200 keer achter elkaar

Voordat ze in actie komen, worden meetboeien vanaf een schip overboord gezet. Ze beginnen met meten als ze met een soort jojo-beweging op de juiste plek en op de juiste diepte zijn aangekomen. Om daar te komen gebruiken ze geen motor, maar veranderen ze hun soortelijk gewicht. Dat is bij het begin van de beweging zo ingesteld dat ze zinken tot een diepte van ongeveer 1000 meter. Aangekomen op die diepte drijven de meetboeien eerst een tijdje met de stroming mee naar een volgende meetplek. Daarna gaat zo’n boei ook verticaal bewegen. Dat doet hij door olie in of uit een externe ballon te pompen, waardoor zijn soortelijk gewicht toeneemt (en hij zinkt) of afneemt (en hij opstijgt). Dan zinkt hij nog eens 1000 meter, tot een diepte van twee kilometer, om tot slot weer op te stijgen en onderweg metingen te verrichten. Gedurende één zo’n meetcyclus blijft de boei tien dagen onder water, waarna hij hooguit één uur boven komt om zijn positie en alle meetgegevens door te geven aan een satelliet. Die stuurt alles door naar een meetstation op het vasteland. Dit kunstje herhaalt een boei gemiddeld 200 keer, totdat de batterij leeg is en hij definitief naar de oceaanbodem zinkt. Dat is meestal na een jaar of vijf.

Route en activiteiten van een Argo-meetboei tijdens zijn eerste meetcyclus. Deze cyclus wordt herhaald tot de batterijen leeg zijn – ongeveer 200 keer.

Milieubelasting

Vrijwel alle metingen in de leefomgeving hebben effect op het milieu. In het geval van Argo zijn dat de meetboeien die na gebruik op de bodem van de oceaan achterblijven. Dat zijn er relatief weinig (de afgelopen 20 jaar gemiddeld vier in elk gebied ter grootte van de Benelux) en samen vertegenwoordigen ze duizenden malen minder afval dan wat er jaarlijks in de oceanen terechtkomt door zoekgeraakte containers. Ophalen van meetboeien is geen realistische optie, omdat de inzet van schepen een grotere milieubelasting zou veroorzaken dan de achtergelaten meetboeien zélf.

Kostenbesparing

Gemiddeld kost een standaard meetboei zo’n € 17.000. Als hij vijf jaar lang iedere tien dagen een meetprofiel terugstuurt, zijn de kosten voor één zo’n meetprofiel nog geen € 100. Dat is 100 keer zo weinig als de kosten voor een vergelijkbare meting vanaf een onderzoeksschip: € 10.000. Meetboeien zijn niet alleen slim, zo blijkt uit deze rekensom, maar zorgen ook voor een flinke kostenbesparing.

De binnenkant van een meetboei

Ook al zijn er verschillen in hardware en software, toch zien de meeste meetboeien er ongeveer hetzelfde uit en werken ze op een vergelijkbare manier. Met een lengte van ca. twee meter, een diameter van 20 cm en een spriet op hun kop, hebben sommige felgele exemplaren wel iets weg van een reusachtige dobber. Met dit verschil dat ze niet aan een hengel vastzitten en de meeste tijd onder water doorbrengen. Meetboeien wegen ongeveer 25 kilo, evenveel als een kind van zeven, en ze worden bestuurd door een kleine computer. Meestal kan de software op afstand worden aangepast, bijvoorbeeld om te voorkomen dat de boei aan de grond loopt of aanspoelt, maar ook om te testen of te kalibreren.

Antenne
Boven op elke meetboei zit een antenne. Daarmee kan deze zijn positie bepalen, gegevens verzenden en nieuwe instructies ontvangen. Dankzij snelle communicatietechnologieën (GPS en Iridium) zijn meetboeien maar korte tijd boven water (15-60 minuten), is de kans op aanspoelen klein en kan er ook worden gemeten in kleinere zeeën, zoals de Middellandse Zee en de Golf van Mexico. Sommige oudere meetboeien gebruiken het minder snelle en minder nauwkeurige Systeme Argos in plaats van Iridium en GPS, waardoor ze 8-12 uur aan het wateroppervlak moeten doorbrengen en de plaatsbepaling niet nauwkeuriger is dan 100 meter.

CTD
Het meetgedeelte van elke meetboei heet een CTD (geleidingsvermogen-, temperatuur- en dieptesensor). Oceaanwater stroomt eerst door een met sensoren uitgeruste pvc-buis, waarbij de temperatuur en de waterdruk worden gemeten. Daarna wordt het water naar een andere sensor gepompt. Die meet het geleidingsvermogen – een maat voor het zoutgehalte.

Intern reservoir
Dit dient voor de opslag van olie die naar de externe ballon kan worden gepompt om het drijfvermogen van de meetboei te veranderen.

Hydraulische pomp
Hiermee kan olie worden verplaatst van het interne reservoir naar de externe ballon, en weer terug.

Batterijen
Lithiumbatterijen om pompen, sensoren, computer en communicatiesysteem van stroom te voorzien. De levensduur van de batterij bepaalt hoe lang de meetboei in gebruik is.

Externe ballon
Door hier olie uit het interne reservoir naar toe te pompen, neemt het volume van de meetboei toe. Omdat de massa gelijk blijft, neemt het soortelijk gewicht af en stijgt de boei op. Door olie weer terug te pompen in het reservoir, zinkt de boei juist.

Slideshow: Assemblage van een meetboei in de werkplaats

Verbetering van prestaties en ontwerp

De ontwikkeling van de eerste meetboeien begon eind jaren 90. Sindsdien waren er veel technische aanpassingen om de prestaties van de batterijen, de communicatie met satellieten en de stabiliteit van sensoren te verbeteren. Ook stelden wetenschappers en meteorologen in de loop der tijd nieuwe eisen. Sinds de start van Argo in 2000 zijn er daarom veel innovaties doorgevoerd in het ontwerp: tegenwoordig kunnen boeien op grotere dieptes meten, en zelfs in met ijs bedekte gebieden. De nieuwste types meten niet alleen de temperatuur, de druk en het zoutgehalte, maar ook tal van andere oceaaneigenschappen. Commerciële bedrijven en onderzoeksinstellingen produceren inmiddels veel verschillende meetboeien, die allemaal één ding gemeen hebben: ze moeten voldoen aan de door het Argo-programma vastgestelde eisen.

Verbeteringen van meetboeien van EuroArgo en uitbreiding van hun toepassingsgebied.

Drie Argo-missies

Tegenwoordig heeft Argo drie verschillende missies, kortweg bekend als ‘Core Argo’, ‘BGC Argo’ en ‘Deep Argo’. Core Argo richt zich het oorspronkelijke doel, namelijk het meten van temperatuur, zoutgehalte en waterdruk tot een diepte van 2000 meter. BGC Argo heeft een uitgebreider doel en meet daarnaast ook enkele biogeochemische parameters, waaronder voedingsstoffen (nitraat), zuurgraad (pH-waarde), zuurstofgehalte (O2) en de hoeveelheid chlorofyl en zwevende micro-organismen (plankton). Die zijn allemaal relevant voor de bestudering van het leven in zee. Deze missie bevindt zich in de pilotfase. Dat geldt ook voor Deep Argo, waarbij dezelfde gegevens worden verzameld als bij Core Argo, maar tot een grotere diepte: tussen 4000 en 6000 meter.

Deep Argo meetboeien, bestand tegen de waterdruk op 4000 tot 6000 meter diepte.

Meetgegevens vrij beschikbaar voor iedereen

Alle door het Argo-programma verzamelde meetgegevens zijn vrij beschikbaar voor iedereen die ze wil gebruiken. Regionale datacenters onderwerpen deze gegevens eerst aan strenge kwaliteitscontroles, waarna ze via twee mondiale datacenters toegankelijk worden gemaakt. Voor applicaties die snelle toegang tot data vereisen, streeft Argo ernaar om de meeste gegevens  binnen 12 uur (‘real time’) beschikbaar te maken. Voor gebruikers met minder haast maar hogere kwaliteitseisen, worden de data in een later stadium uitvoerig gecontroleerd, onder meer door ze te vergelijken met de gegevens van nabijgelegen boeien en onderzoeksschepen. De vrije toegang tot Argo-gegevens betekent een grote stimulans voor de oceanografie: inmiddels is door meer dan 5000 wetenschappelijke publicaties verwezen naar Argo-gegevens en vormden ze de basis voor meer dan 400 proefschriften.

Van databrij naar kleurrijke kaart

Naast datacenters met ruwe meetgegevens voor experts zijn er ook websites en webapplicaties voor mensen die minder bedreven zijn in het ontcijferen en interpreteren van een grote brij aan data. Op een van de sites is bijvoorbeeld te zien hoe je Argo-meetgegevens kunt visualiseren tot kleurrijke kaarten en grafieken. Ergens anders kun je individuele meetlocaties aanklikken en regionale selecties maken. Voor écht nieuwsgierige mensen is er zelfs een site waar je real time de posities van alle actieve en inactieve boeien in de gaten kunt houden. Daarnaast hebben verschillende nationale Argo-programma's educatief materiaal ontwikkeld om kennis over de oceanen onder de aandacht te brengen van scholieren en studenten. Zo is er speciaal voor studenten en scholieren een site waar je je eigen meetboei kunt adopteren.

Door Argo-meetboeien (zwarte stippen) gemeten watertemperatuur (rood = relatief warm; blauw = relatief koud) op een diepte van 1000 meter.

Adopteer een meetboei

Na een geslaagde pilot in 2015 met één klas op één school, hebben meer dan 50 scholen in de VS, Chili, Canada, Australië, Polen, Verenigd Koninkrijk en Frankrijk een eigen meetboei geadopteerd. In dit educatieve programma werken wetenschappers samen met docenten, scholieren en studenten van alle leeftijden. Deelnemende klassen mogen zelf een naam verzinnen voor hun meetboei en kunnen hem een tijdje op de voet volgen. Vooral namen van beroemde ontdekkingsreigers (zoals Scott) of wetenschappers (zoals Darwin) zijn populair. Het doel van dit programma is voorlichting over klimaatverandering en over de biogeochemie van oceanen. Aan deelname zijn geen kosten verbonden.

Meer informatie

Naar de Inhoudsopgave