Wie weleens op het strand of in de duinen loopt, zal het ongetwijfeld herkennen: de golvende zandstructuur van de bodem. Alsof je over ribbeltjeschips of een corduroybroek wandelt. De zandrimpels ontstaan doordat de wind zandkorrels over kleine afstanden transporteert. Tegelijkertijd hebben de zandophopingen ook weer invloed op de wind, zegt Frans Liqui Lung, die deze zomer afstudeerde voor z’n masters in Applied Physics en Geoscience and Remote Sensing. “De verplaatsing van zand wordt versneld door de wind, maar datzelfde zand remt de wind ook weer af zodra het een hoopje vormt. Er vindt dus voortdurend onderlinge terugkoppeling plaats.”

Bundeling van interesses

In de interactie tussen wind, zand en het bodemoppervlak komen voor Frans meerdere interessegebieden samen. “Op de middelbare school waren wiskunde en natuurkunde mijn favoriete vakken. Bij aardrijkskunde vond ik vooral geologie heel boeiend. Tijdens een open dag van de TU Delft hoorde ik dat al die onderwerpen terugkwamen in Technische Aardwetenschappen, dus heb ik voor die studie gekozen. Omdat ik me na een paar jaar toch nog iets meer wilde verdiepen in natuurkunde, heb ik een minor Natuurkunde gedaan om te kunnen doorgaan met een master in dat vakgebied. Na mijn bachelor ben ik een master gaan doen in Applied Physics en in Geoscience and Remote Sensing.”

Atmosferische chaos

Vooral alles wat in de lucht plaatsvindt, de atmosferische processen, vindt Frans mateloos fascinerend. “In de atmosfeer gebeurt ontzettend veel, maar tegelijkertijd zien we daar heel weinig van. Pas als iets dicht bij een oppervlak plaatsvindt, wordt het zichtbaar, zoals zandverstuivingen of golven op zee. Luchtstromingen zijn vaak enorm chaotisch en complex. Op de ene plek stijgt de lucht op, en ergens anders daalt het weer. Het is lastig zicht te krijgen in hoeverre verschillende krachten in de atmosfeer elkaar beïnvloeden. Met behulp van computers kunnen we dat grotendeels inzichtelijk maken, maar er is ook menselijke kennis nodig om alle processen nog beter te begrijpen. Ik vind het erg leuk om de atmosferische hectiek en complexe luchtstromingen uit te pluizen en zo bij te dragen aan meer fundamentele kennis.”

Koppeling lucht en bodem

Voor z’n masterscriptie ging Frans op zoek naar een onderwerp waarbij hij zijn kennisdisciplines kon samenbrengen. “Er lag nog niet direct een afstudeerproject klaar, waardoor ik zelf iets moest bedenken. Voor inspiratie ben ik langsgegaan bij mijn latere scriptiebegeleider Harm Jonker, die een model heeft ontwikkeld dat wind- en energievoorspellingen doet voor windmolens. Dat vond ik supercool. Toen dacht ik: Het zou nog leuker zijn om een model te ontwikkelen voor wederzijdse terugkoppeling, dus waarbij de wind een oppervlak beïnvloedt, maar een oppervlak ook weer de wind. Zo kwam ik uit bij zandtransport, dat sloot ook mooi aan bij m’n geologische achtergrond. Ik heb contact gezocht met Sierd de Vries, universitair hoofddocent bij coastal engineering die deze expertise heeft en zo is het gaan rollen.”

Stuiterende zanddeeltjes

Frans kwam op het idee om een model te ontwikkelen dat de verplaatsing van zand door de wind op kleine schaal kan voorspellen en tegelijkertijd de invloed van zandhoopjes op de wind in kaart brengt. Daarbij speelt eolische saltatie een belangrijke rol. Frans: “Eolisch betekent dat een landschap wordt gevormd door deeltjes die zijn aangevoerd en afgezet door de wind. Dat kan zowel over lange als korte afstand. Hele kleine deeltjes, zoals stof, leggen bijvoorbeeld hoog in de atmosfeer enorme afstanden af. Denk aan het Saharazand dat soms op Nederlandse auto’s neerslaat. Grotere deeltjes, zoals zandkorrels, worden minder ver meegenomen, maar stuiteren over afstanden van enkele tot tientallen meters. Dat golvende, springende transport heet saltatie.”

Leren programmeren

Voor het ontwikkelen van zijn eolische saltatiemodel moest Frans zichzelf eerst nog wat nieuwe vaardigheden aanleren. “Ik wilde een digitaal simulatiemodel van de praktijk maken. Ik had al jaren ervaring met programmeren, maar moest wel een nieuwe programmeertaal leren. Ik heb uiteindelijk wel zo’n tien uur aan YouTube-filmpjes gekeken om programmeertaal te leren en het te kunnen toepassen. Vervolgens moest ik duizenden regels aan code van vergelijkingen in een programma stoppen. Dat waren vrij eenvoudige natuurkundige en wiskundige vergelijkingen, maar door de grote hoeveelheid kostte het heel veel tijd. Uiteindelijk ben ik zo’n tien maanden bezig geweest om de computersimulatie te ontwikkelen.”

Allerlei situaties simuleren

In het model kan Frans verschillende krachten uitrekenen die onderling plaatsvinden tussen de wind, zand en de ondergrond. “Door die krachten toe te passen in een tijdsverloop van bijvoorbeeld twee uur kan ik stapje voor stapje volgen wat er gebeurt. Ik zie onder meer hoe het zand zich verplaatst bij een bepaalde windkracht of -richting, waar ophopingen ontstaan, wat er gebeurt met de wind en welke interactie er plaatsvindt tussen de zandkorrels en de wind. Daarbij volg ik niet elke zandkorrel individueel, maar staat elke korrel voor honderdduizend korrels. Door steeds te spelen met de input, zoals de windkracht, windrichting en de hoeveelheid zand die ergens ligt, kan ik heel veel verschillende situaties simuleren.”

Tussenmodel

Het model dat hij heeft ontwikkeld, is nog echt een basismodel, benadrukt Frans. “Het is een heel versimpelde versie. Een factor als vocht is bijvoorbeeld niet meegenomen, terwijl nat zand zich heel anders gedraagt dan droog zand. Maar dit model kan wel al als hulpmiddel dienen voor onderzoek over grotere tijdschalen, zoals naar duinvorming en verwoestijning. Bij onderzoek naar ontwikkelingen over lange periodes worden namelijk veel aannames gedaan. Met een voorspellingsmodel over een kortere periode, zoals mijn model, kun je die aannames nauwkeuriger maken. Er zijn al wel modellen die ontwikkelingen op kleinere schaal voorspellen, maar dan gaat het echt over secondes en centimeters. De sprong naar jaren en kilometers is dan te groot. Mijn model gaat over uren en meters en vormt dus een mooi tussenmodel.”

Best Graduate

Voor zijn masterscriptie kreeg Frans uiteindelijk een dubbele beoordeling: een 9 voor Applied Physics en een 9,5 voor Geoscience and Remote Sensing. “Daar ben ik natuurlijk superblij mee. Dat halve puntje extra was vooral omdat het onderzoek meer disciplines van Geoscience and Remote Sensing bevatte. Dat ik ook nog ben verkozen tot Best Graduate van de faculteit maakt me helemaal trots, dat zag ik niet aankomen. Ik vond het heel leuk dat ik al mijn kennis van verschillende vakgebieden bij elkaar heb kunnen brengen in deze scriptie. En dat ik ook nog eens een extra programmeertaal heb leren kennen, is een extra leuke bijkomstigheid.”

Gepubliceerd: november 2020