Klimaatwetenschap krijgt vleugels

Journalisten maken graag gebruik van anekdotes om verhalen over klimaatverandering te vertellen, maar voor klimaatwetenschappers gaat alles om data. Data verzamelen gaat echter zelden snel en is nooit goedkoop, vooral niet wanneer die gegevens, van bijvoorbeeld een golvende kustlijn of een enorme ijsvlakte, het beste verkregen kunnen worden via het vogelperspectief.

Gelukkig kunnen drones taken uitvoeren waarvoor de conventionele methoden van data verzamelen vanuit de lucht – zoals een vliegtuig charteren of satellietgegevens gebruiken – niet erg geschikt zijn.

Capabeler

Drones zijn niet nieuw en klimaatwetenschappers hebben hun nut als onderzoeksinstrumenten al lang geleden ontdekt. ‘In 1998 gebruikten we al een onbemand luchtvaartuig om de ijslaag in het Noordpoolgebied te bestuderen,’ zegt James Maslanik, emeritus professor van de afdeling lucht- en ruimtevaarttechnologie van de University of Colorado-Boulder. Die had een vleugelspanwijdte van drie meter, een laadvermogen van niet meer dan vier kilo en vloog op gas.

De huidige drones – zowel de op rotoren gebaseerde ontwerpen, zoals quadcopters, als vastevleugelversies, die eruitzien als kleine, traditionele vliegtuigen – zijn veel betaalbaarder, draagbaarder, bruikbaarder en capabeler dan die waarmee Maslanik tien jaar geleden werkte. Dat komt door de verkleining van de elektronische onderdelen, de afnemende prijs en omvang van de camera’s en sensoren die erin zijn gebouwd, en het vermogen van hun aandrijfsysteem, dat nu in de meeste gevallen op een accu werkt.

Een vliegtuig charteren is meestal veel duurder dan een drone inzetten

Een vliegtuig charteren is meestal veel duurder dan een drone inzetten, en ook minder betrouwbaar omdat een vluchtplan al snel gedwarsboomd kan worden door weersomstandigheden. Bovendien moet het charteren van een vliegtuig dagen van tevoren worden geregeld. Daarentegen moeten onderzoekers weliswaar toestemming hebben van de Federal Aviation Administration om een drone te gebruiken, maar als ze die eenmaal hebben, kunnen ze hem inzetten wanneer ze maar willen, zolang de windkracht binnen bepaalde grenzen blijft.

David Johnston, universitair docent aan Duke University’s Nicholas School of the Environment, zegt over de overstap van vliegtuigen naar drones: ‘Als we een drone lanceren, beschikken we binnen vier uur over bruikbare gegevens; als we een vliegtuig inzetten, duurt dat misschien wel vier dagen.’

Bovendien is een drone wendbaarder dan een bemand luchtvaartuig en kan hij op lagere hoogten bestuurd worden. Satellietbeelden waren een zegen voor onderzoekers, maar ze kunnen nutteloos worden door wolken, en vaak hebben ze niet de goede resolutie om nauwkeurig te werk te gaan, zoals bij het tellen van dieren.

Het klinkt misschien banaal, maar dieren tellen is een heel belangrijk onderdeel van klimaatresearch in kustgebieden, waar een sterk verband bestaat tussen de ontwikkeling van populaties en veranderingen in factoren als watertemperatuur, voedselbronnen of het smelten van zee-ijs.

Begin 2015 leidde Johnston een team dat gebruikmaakte van kleine vastevleugeldrones – de eBee senseFly gemaakt door Parrot – om grijze zeehonden langs de met ijs bedekte kusten van eilanden bij Newfoundland en Labrador te tellen. In de jaren twintig van de negentiende eeuw was de soort bijna uitgeroeid, maar sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw zijn ze weer in aantal toegenomen. Tegenwoordig worden grijze zeehonden door de klimaatverandering van twee kanten bedreigd: warmere temperaturen hebben invloed gehad op het voortplantingspatroon en op de Noordpool worden ze door het smeltende ijs blootgesteld aan een dodelijke parasiet.

Het team wilde vaststellen of drones het tellen van de dieren en hun jongen makkelijker en minder tijdrovend kon maken dan de alternatieve benadering vanuit de lucht. Bij eerdere tellingen gebruikten onderzoekers een camera (meestal handbediend) om vanuit een vliegtuig of helikopter te fotograferen en de beelden daarna handmatig aan elkaar te rijgen – in de hoop dat de zeehonden niet dubbel werden geteld.

Het gebruik van drones bleek aanzienlijke voordelen te hebben: bij het maken van foto’s en video’s gebruikte de software in de drones ook GPS-data om van elk beeld de geografische positie weer te geven. Die data werden later gebruikt om zogenoemde orthogerectificeerde kaarten te maken, die preciezer en nuttiger waren dan de aaneengeregen beelden van een handcamera.

Bovendien beschikte een van de eBee-drones die Johnstons team gebruikte om de zeehonden te tellen ook over een thermische videocamera die warmte waarneemt. Daardoor werden de zeehonden en hun jongen zichtbaar, zelfs als ze door een boom of struiken aan het oog werden onttrokken.

Koraal

In warmere wateren spelen koraalriffen een essentiële rol in het welzijn van de oceaan. Maar klimaatverandering – in het bijzonder opwarmende oceanen en een toenemend zuurgehalte vanwege de hogere percentages opgelost CO2 – heeft al grote schade aangericht aan de koraalriffen. In het Caribische gebied wordt het koraal ook bedreigd omdat belangrijke soorten die zich voeden met de algen, zoals papegaaivissen en zee-egels, in aantal afnemen. Die afname, plus de toevoer van meststoffen door landbouwreproductie, leidt tot te veel algen die het koraal verstikken.

Tegen alle verwachtingen in maakt een belangrijke koraalsoort – Acropora palmate of elkhornkoraal – een comeback in sommige gebieden. Maar het tellen en in kaart brengen van dit koraal is moeilijk omdat het in ondiep water groeit en tijdens laag water wordt blootgelegd, wat betekent dat de conventionele methode van koraal tellen door eroverheen te snorkelen hier niet werkt.

etenschapper Steve Schill, verbonden aan The Nature Conservancy (TNC), gebruikt quadcopter- en hexacopter- (respectievelijk vier en zes rotoren) drones om videobeelden van de kustlijn te verzamelen en de veerkrachtige elkhorn te tellen en in kaart te brengen.

Geograaf Schill gebruikt ook drones om kaarten te maken van Caribische mangrovebossen, die belangrijk zijn om klimaatverandering tegen te gaan. Mangroves houden meer koolstof vast dan andere bossen en fungeren als kweekvijver voor veel vissoorten die later deel gaan uitmaken van koraalrif-ecosystemen. De drones, die zijn uitgerust met infraroodcamera’s, verzamelen beelden waarop de onderzoekers kunnen zien waar de mangroves te lijden hebben van laag water of meststoffen.

Mangroves en koraalriffen in kaart brengen is misschien niet het opwindendste werk van een milieubeheerder, maar het is wel onmisbaar, zegt Schill. De kaarten vormen de eerste stap in het modelleren van toekomstige veranderingen, en juist die modellen tonen regeringen en beleidsvormers waarom het zo belangrijk is dat er actie wordt ondernomen. ‘Als we twintig procent van de riffen kunnen beschermen, wat is dan de beste twintig procent? De kaarten laten ons zien waaraan we ons milieugeld moeten besteden.’

Bovendien zijn het geen gewone kaarten. Schill gebruikt fotogrammetrie, een techniek die 2D-beelden overzet in 3D-modellen door de afstand tussen bepaalde elementen in de beelden nauwkeurig te meten, om kaarten te maken die letterlijk van de pagina springen. Drones maken fotogrammetrie van kustgebieden mogelijk door foto- en videobeelden te verzamelen vanuit schuine, bovenwaartse en zijwaartse perspectieven, die aaneengevoegd worden om 3D-representaties te vormen.

De software die nodig is om die beelden te maken is de afgelopen jaren, net als drones zelf, veel toegankelijker en gebruiksvriendelijker geworden. De beelden zelf zijn tot op twee centimeter nauwkeurig, dus de kaarten kunnen door middel van kleurovergangen precieze hoogten tonen, zoals die van de mangrovebossen.

Op de grotendeels (maar almaar minder) witte Noordpool gebruikt Gijs de Boer drones om gegevens te verzamelen die ons helpen klimaatmodellen exacter te maken. De Boer is onderzoeker voor het Cooperative Institute for Research in the Environmental Sciences (CIRES) en hij bestudeert wolken – in het bijzonder de rol die wolken spelen in de overdracht van energie tussen de atmosfeer en het aardoppervlak.

De afgelopen twee jaar hebben De Boer en zijn CIRES-team vaste-vleugeldrones gebruikt in Prudhoe Bay, Alaska. De drones zijn uitgerust met stralingsmeters die zowel de energie die via de atmosfeer naar beneden komt als de energie die van het aardoppervlak naar boven gaat meten, om te zien welk percentage van die benedenwaartse energie weer naar boven wordt weerkaatst. Dit soort onderzoek vereist overzicht over grote stukken land, iets wat CIRES niet elders in het door de VS gecontroleerde Noordpoolgebied kan realiseren omdat de FAA vereist dat dronepiloten voortdurend visueel contact houden met de drones.

Maar De Boers team gebruikt een stuk luchtruim waarin het drones is toegestaan om, langs de kust en tot dertien kilometer uit de kust boven de Noordpoolzee, ver onder de hoogte te vliegen waarop een piloot er direct zicht op heeft.

In de toekomst zullen drones alleen maar belangrijker en handiger onderzoeksinstrumenten worden, vooral als ze meer integreren met andere vergevorderde technologieën. Schill en zijn collega’s zijn bijvoorbeeld een op afstand bedienbare boot aan het ontwikkelen die een onderwatercamera meesleept. Zijn team zal de boot samen met een drone inzetten om onder en boven water beelden te verzamelen waarmee kaarten worden gemaakt die zowel een vogel- als een visperspectief geven.

Johnston zegt dat hij graag dagelijks archiefbeelden zou willen verzamelen van kustlijnen, zodat onderzoekers beter kunnen begrijpen hoe die in de loop der tijd door het weer worden gevormd.

Stel dat er zich een belangrijke topografische verandering voordoet langs een kustlijn, en die zou het resultaat kunnen zijn van een heftige storm óf van een zinkput. Zonder goede gegevens zou je niet kunnen vaststellen wat de oorzaak was. ‘Als je twee beelden hebt die twee weken na elkaar zijn gemaakt, zie je dat er iets is veranderd, maar je zou geen gegevens over de tussentijd hebben,’ legt Johnston uit.

Ballast

Drones kunnen een serieuze ballast voor de maatschappij vormen en ze kunnen worden misbruikt, zoals vorige zomer het geval was toen hobbypiloten hun apparaatjes de lucht in stuurden in de buurt van bosbranden, waardoor blusvliegtuigen aan de grond moesten blijven. Ze zijn ook niet altijd in alle gevallen geschikt. Hun luidruchtige rotoren kunnen de wilde dieren opschrikken die onderzoekers proberen te bestuderen. Hun bereik en technische vermogens zijn nog beperkt, al wordt gewerkt aan verbetering. En regelgeving omtrent hoe, waar en wanneer drones de lucht in mogen, is nog niet helemaal vastgelegd. En dan zijn er nog de financiële beperkingen, die een onontkoombare kloof vormen tussen de technologie waarvan onderzoekers op dit moment gebruikmaken en waar ze gebruik van zouden maken als ze over een niet-aflatende geldstroom beschikten.

Maar voor Johnston, Schill, De Boer en vele andere wetenschappers wier werk hun naar de rand van het water brengen, openen drones nieuwe onderzoeksmogelijkheden en verbeteren ze het wetenschappelijke record op manieren die meetbare invloed hebben op ons begrip van – en reactie op – veranderende ecosystemen en de smeltende Noordpool.

Auteur: Mary Catherine O’Connor
Vertaler: Tineke Funhoff

Beeld bovenaan: © Duke University Marine Laboratory

Pacific Standard
Verenigde Staten | tweemaandelijks tijdschrift | oplage 100.000

Dit in 2008 opgerichte tijdschrift droeg tot 2012 de achternaam van oprichter Sara Miller McCune, die ook eigenaar is van de internationale uitgeverij Sage Publications. PS is onderdeel van de non-profitorganisatie Miller McCune Center for Research, Media and Public Policy. Vanuit de gedachte dat de wetenschap vaak oplossingen biedt op maatschappelijke problemen maakt deze publicatie belangrijke onderzoekresultaten inzichtelijk voor een breed publiek.