Waterstress in het regenwoud

Hoeveel water blijft er in het bladerdak van een boom hangen? Dat moest promovendus Tim van Emmerik te weten komen om zo de waterkringloop op aarde beter te begrijpen. Maar hoe meet je dat precies? Elk blad volhangen met dure apparatuur was geen optie. En dus moest Tim met collega’s slimme meetmethodes ontwikkelen om de juiste data af te leiden. En leren boomklimmen, in de Amazone van Brazilië.

Het belang van bomen en regenwoud

Tim kijkt voor zijn promotieonderzoek naar neerslag, verdamping en manieren om de dorst van planten te meten. Water tekort, ook wel waterstress genoemd, is in de landbouw een probleem omdat het een plant minder productief maakt en op den duur leidt tot plantsterfte. Maar Tim focust vooral op tropische regenwouden. “Die spelen namelijk een essentiële rol in de water-, zuurstof- en koolstofcyclus op aarde en zijn zeer belangrijk voor het in stand houden van ons klimaat”, legt hij uit. Hoe zit dat ook alweer precies?

Regenwouden kun je zien als enorme reservoirs van water. Bomen onttrekken water uit de grond of vangen het op met hun bladeren, wat Tim interceptie noemt. Veel van dat water verdampt uiteindelijk en komt via wind en wolken weer als neerslag terecht op andere plaatsen op aarde. Bomen zijn dus belangrijk voor ons weer, met name voor neerslag en droogte. Ook halen zij koolstof, dat bijdraagt aan de opwarming van de aarde, uit de atmosfeer en zetten dat om in zuurstof. “Als dus het Amazoneregenwoud steeds droger wordt”, verklaart Tim, “of door ontbossing steeds maar kleiner, zal dat de watercyclus en de koolstofcyclus beïnvloeden. Dat kan bijdragen aan klimaatverandering op aarde.”

Uiteindelijk hoopt Tim dat hij en zijn collega’s de impact van klimaatverandering kunnen doorgronden en kunnen voorspellen wat bijvoorbeeld ontbossing doet met lokale regenval. Maar om al deze kringlopen goed te begrijpen, moet Tim eerst snappen hoe het regenwoud, en nog specifieker één enkele boom, precies warmte, water en CO2 uitwisselt met de atmosfeer.

Trillende bomen

De zoektocht naar manieren om dat te meten begon al 6 jaar eerder bij de afdeling Watermanagement aan de TU Delft. John Selker van Oregon State University, een vriend van Tims promotor, bedacht dat je aan de hand van de trillingen die een boom van nature maakt, oftewel de natuurlijke frequentie, iets kon zeggen over de hoeveelheid water die in een boom zit. Hoe zwaarder een boom is door het water in het bladerdak, de takken en de stam, hoe anders hij zal trillen, zo was de gedachte.

Tim ging hierop door maar kwam er na anderhalf jaar achter dat hij op het verkeerde spoor zat. “Ik had te hoog ingezet met de wiskunde. Pas toen ik een keer helemaal vanaf de basis begon, viel alles op zijn plek. Daarbij zijn er natuurlijk veel meer factoren van belang bij het trillen van een boom. Denk aan de grootte en het gewicht van de boom, de hoeveelheid bladeren en de structuur, de hoeveelheid neerslag en natuurlijk de wind.”

Slim meten met sensoren

Het grootste probleem bij het meten van al deze variabelen: meetinstrumenten waren duur of beschadigden de bomen. Ook overleefden ze nooit de extreme omstandigheden van een regenwoud. “Zodra je kastjes met apparatuur in een oerwoud hangt, gaan slangen, spinnen en andere beesten er in wonen’, licht Tim toe. “Meetcampagnes vanuit de lucht met satellieten of radar zijn wel een goede optie. Maar je weet pas echt of je metingen kloppen, als je ook op de grond kunt checken er precies gebeurt.”

Inmiddels zijn sensoren door de snelle opkomst van de smartphone industrie veel goedkoper en robuuster geworden. Een uitkomst voor Tim! Met collega Rolf Hut bedacht hij om deze versnellingsmeters te gebruiken als betaalbaar alternatief om langere tijd boombewegingen te kunnen meten. Door de versnellingen van een boom te koppelen aan andere meteorologische en hydrologische data, kon hij de boombewegingen relateren aan externe druk (zoals wind, verdamping en interceptie van regenval) en deze onderscheiden van de fysieke eigenschappen van de boom zelf (elasticiteit, massa en watergehalte).

De boom in voor de wetenschap

Nu alleen nog de versnellingsmeters in de goede bomen hangen. Makkelijker gezegd dan gedaan, want de 19 bomen die Tim op het oog had waren zo’n 40 meter hoog. En stonden in de Amazone in Brazilië. Tot overmaat van ramp bleken de twee ervaren boomklimmers ziek en gewond te zijn toen het veldwerk moest beginnen.

Tim volgde toen toen zelf maar een spoedcursus boomklimmen. Gelukkig kon hij al een aardig woordje Portugees. “Ik moest een lange lijn precies over de juiste tak zien te gooien. Dan kon ik mijn veiligheidslijn omhoog hijsen en zelf de boom ingaan. Heel (in)spannend, want het is een behoorlijk eind klimmen. Maar het uitzicht was fantastisch, zo lang er geen spinnen te zien waren. En ik wist nu in ieder geval zeker dat de sensoren op de juiste plek zaten.”

Het paper van Tim en collega’s is recent geaccepteerd door het wetenschappelijke tijdschrift Sensors. De aanhouder wint.