De delta van de Congo-rivier.

Geologie

Mysterieuze troebelingsstromen opgehelderd

De delta van de Congo-rivier.

Rivieren kunnen met donderend geweld sediment in de oceaan storten. Die mysterieuze troebelingsstromen stellen de wetenschap voor raadsels.

 Als de Congo zijn monding aan de West-Afrikaanse kust bereikt, is hij nog lang niet klaar. Vanaf die plek slingert een honderden kilometerslange en uiteindelijk kilometersdiepe onderzeese canyon de continentale rand af en over de oceaanbodem. Daar eindigt hij in een waaier van sediment, zo groot als Duitsland.

Die canyon is uitgeslepen, en die waaier opgebouwd, door troebelingsstromen: pakketten water in de oceaan waarin zoveel zand- of modderdeeltjes zweven dat ze langs een hellende bodem als vloeibare bobsleeën omlaag denderen.

Een botsing met zo’n modderpakket kan hard aankomen. In 1929 liet een troebelingsstroom twaalf telegraafkabels knappen voor de kust van Canada. Hij was niet uit een rivier afkomstig, maar veroorzaakt door een aardverschuiving, het gevolg van een zware aardbeving. Zeven kabels waren meteen stuk, vijf andere bezweken pas dertien uur later, één voor één. Twintig jaar later concludeerden Amerikaanse onderzoekers dat een stroom met door sediment verzwaard water met een snelheid van tussen de 60 en 100 kilometer per uur over die kabels heen moest zijn gekomen. 

Stroming in bakken in laboratoria

In 2006 en 2009 waren het geen telegraafkabels, maar glasvezelkabels die doormidden gingen in de Gaoping Canyon bij Taiwan. Oceanografen konden een soortgelijke rekensom maken en schatten de snelheden van de troebelingsstromen daar op 20 tot 45 kilometer per uur. Maar dat was ook alles wat ze konden achterhalen. Er had een revolutie plaatsgevonden in de telecommunicatie, maar de kennis over troebelingsstromen had stilgestaan. Er was wel geëxperimenteerd, met stroming in bakken in laboratoria. En er waren hypothesen geformuleerd over hoe het verschijnsel zou kunnen werken. Maar die waren niet aan de werkelijkheid getoetst. 

“Het algemene gevoel was, dat het bijna onmogelijk was om die stromingen te bestuderen”, zegt Charlie Paull van het Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) in Californië. “Om te beginnen moet je naar een plek waar je iets kunt verwachten terwijl je daar bezig bent, en zoveel van die plekken zijn er niet. En als je er een gevonden hebt, dan heb je nog de nachtmerrie van het plaatsen van dure instrumenten, met een grote kans dat ze verloren gaan.”

Maar dat gevoel is de afgelopen jaren verdwenen. Vooral dankzij de opkomst van akoestische meetapparatuur, die geluidsgolven laat weerkaatsen op de deeltjes in het water en zo de dichtheid en snelheid meet. Op diverse plaatsen in de wereld is het gelukt om troebelingsstromen op heterdaad te betrappen. En daarbij ontstaat een heel ander beeld van ze dan de experimenten voorspelden.

Opvallend genoeg kwam de eerste doorbraak op een van de moeilijkst te bereiken plaatsen: de Congo Canyon. Dat was te danken aan de voorzichtigheid van oliemaatschappij Chevron, vertelt Matthieu Cartigny, een Nederlandse aardwetenschapper die werkt aan de universiteit van Durham in Engeland. “Chevron wilde de Canyon doorkruisen met een gasleiding. Iemand daar zei: dat is een grote can­yon, misschien moet je kijken wat daarin gebeurt voor je er een pijp doorheen legt. Ze lieten een aantal instrumenten neer en ontdekten dat er heel veel stromingen zijn. Ze besloten de leiding dan maar onder de canyon door te boren. Dat was enorm duur, maar er was nu eenmaal veel te veel activiteit. Ze vertelden erover op een conferentie en mijn collega Peter Talling zei meteen: dat zijn fantastische gegevens, mogen wij die hebben?”

De kop als locomotief

Toen de onderzoekers met die data aan de gang gingen, kwamen de verrassingen. “We dachten altijd dat zulke stromingen minuten duurden, uren; misschien dagen als de rivier buiten zijn oevers is getreden”, zegt Cartigny. “Maar ze duurden wel een week, soms tien dagen. En we weten nu dat de voorkant van zo’n troebelingsstroom beweegt met een snelheid van 1,4 meter per seconde, terwijl de achterkant maar 20 centimeter per seconde gaat.”

Laboratoriumproeven hadden het omgekeerde gesuggereerd: de kop van een troebelingsstroom moet zich door het stilstaande omringende water boren, terwijl de staart het gemakkelijker heeft en hem dus van achteren aanduwt. Maar kennelijk, concludeerde Cartigny’s promovenda Maria Azpiroz-Zabala, heeft een troebelingsstroom eerder de structuur van een trein, met de kop als locomotief. Terwijl die omlaag raast door de canyon, woelt hij extra zand of modder op van de bodem en de wanden, dat in een langzamer tempo meekomt. Hoe verder de stroom komt in de can­yon, hoe meer hij uitrekt – uiteindelijk zo lang dat het wel een week kan duren voor hij een meetinstrument is gepasseerd.

Lang of kort, uiteindelijk moet het materiaal in een troebelingsstroom ergens vandaan komen. En bij de Congo is dat onduidelijk. Cartigny: “Er lijkt geen relatie te zijn met overstromingen, aardbevingen of stormen. Er moet iets anders aan de hand zijn”.

Vooral bij springvloed

Om daar achter te komen, ging de groep van Talling en Cartigny aan de slag met een kleinere rivier: de Squamish, aan de westkust van Canada. Die levert regelmatig troebelingsstroom af. Met een aantal onderzoeksschepen werden die op de voet gevolgd. 

De rivier bleek soms te doen wat de onderzoekers verwachtten: hij zette sediment af op een helling aan het uiteinde van zijn delta. Wanneer die daardoor op den duur te steil werd, kwam er een aardverschuiving, als startschot van een troebelingsstroom. Maar in 73 procent van de gevallen was dat niet de oorzaak: de concentratie sediment in de rivier was er veel te laag voor.

De troebelingsstroom van de Congo, inzoomend van A naar C. De rivier heeft een kilometersdiepe canyon (doorsnede in D) gegraven in de bodem van de Atlantische Oceaan. Beeld Louman & Friso

Deze week publiceerde een andere promovenda van Cartigny, Sophie Hage, de oplossing van het raadsel. Die troebelingsstromen komen vooral los bij springtij, wanneer de vloed extra hoog komt en de eb extra laag. Het hoge getij brengt meer sediment dan normaal de delta in; tijdens het lage getij stroomt het rivierwater sneller naar zee en voert ook meer sediment aan. Die combinatie, en de manier waarop het zwaardere zoute zeewater en het lichtere rivierwater elkaar ontmoeten, maken dat er een grenslaag tussen die twee ontstaat waar het sediment extra geconcentreerd is. Daardoor kan het op gang komen als een troebelingsstroom, zonder dat er een aardverschuiving aan voorafgaat.

Die ontdekking heeft belangrijke gevolgen voor de schatting van het aantal rivieren in de wereld die troebelingsstromen voortbrengen. Oorspronkelijk werd gedacht dat van de 150 belangrijke rivieren in de wereld er maar negen waren die dat vrijwel automatisch doen. Die hebben aan hun monding zoveel sediment in het water, dat de hele rivier als het ware omlaag stroomt en over de bodem verder gaat. Daarnaast suggereerden laboratoriumproeven en modelberekeningen dat rivieren die meer dan een kilo vaste stof per kubieke meter water meevoeren, via diverse concentratieprocessen troebelingsstromen konden veroorzaken. Dat zijn er 61 van de 150. Maar het onderzoek aan de Squamish laat zien, dat in feite elke rivier meedoet in dit spel.

Het wereldklimaat danst naar hun pijpen

Dat zal klimaatdeskundigen de oren doen spitsen. Want troebelingsstromen zijn niet alleen onderzeese kabels en pijpleidingen de baas, ook het wereldklimaat danst voor een deel naar hun pijpen. Althans op een tijdschaal van miljoenen jaren. Dat spelen ze klaar dankzij hun vermogen, sediment over grote afstanden naar de diepe oceaan te verplaatsen. In dat sediment zit veel koolstof. Dat zat ooit als onderdeel van het broeikasgas CO2 in de atmosfeer en kwam daarna terecht in planten en dieren, tot die doodgingen, vergingen en de koolstof in een waterloop terechtkwam. Eenmaal gevangen in sediment op de oceaanbodem is het element heel lang uit de roulatie. 

“Het lijkt erop dat de Congo Canyon zorgt voor ongeveer 2 procent van het jaarlijkse wereldwijde transport van organische koolstof naar de diepe oceaan”, zegt Cartigny. “En er zijn heel veel onderzeese canyons in de wereld. Dus deze processen moeten een grote rol spelen in de koolstofcyclus.”

Ondanks alle vooruitgang is over de eigenschappen van troebelingsstromen nog veel onduidelijk. Terwijl in de Congo en de Squamish troebel water door kronkelige gangen in de zeebodem lijkt te stromen, kwam begin dit jaar Charlie Paull van het MBARI in Californië met een heel ander beeld. Hij bestudeerde troebelingsstromen in de onderzeese canyon die loopt door de Baai van Monterey, zo’n beetje vanaf het instituut waar hij werkt tot ver in de Stille Oceaan. In de Monterey Canyon is het geen rivier die het sediment in beweging brengt, maar zijn het stormen. Anderhalf jaar lang volgden de onderzoekers de gebeurtenissen in de canyon, met verschillende instrumenten. Daar waren ook bewegingssensors bij, met het formaat van grote keien, die werden begraven in het bodemzand. Ze moesten de beweging van het water en het zand in de canyon registreren, maar in plaats daarvan leek de bodem zelf te bewegen – en zelfs sneller dan het water dat door de canyon stroomde.

In de achtertuin

Volgens Paull is het daarom helemaal de vraag of onderzoekers het begrip troebelingsstroom niet te krap hebben opgevat. “Of de bodem al bewoog voor het arriveren van de troebelingsstroom, weten we nog niet zeker. Maar het is duidelijk dat een dichte laag op de bodem heel snel beweegt. En de turbulente wolk erboven, waar in veel onderzoeken metingen over zijn gedaan, die is in de Monterey Canyon een bijproduct.”

Is dat ook zo in de Congo Canyon? Daar komt misschien binnenkort een antwoord op. Een Brits onderzoeksschip, de RRS James Cook, is deze maand boven de canyon aangekomen. Het zal meetinstrumenten neerlaten die volgend jaar weer worden opgehaald, in de hoop op een helderder beeld op dat troebele water zoveel kilometers daar beneden. 

Paull moet het overigens nog zien. “Ons onderzoek nam tussen de 120 en 140 scheepsdagen in beslag. We konden alles plannen, want het is in onze achtertuin, en we hadden instrumenten die ons vertelden dat er iets aan het gebeuren was, zodat we konden uitvaren en reageren. Dat wordt lastig in de Congo Can­yon, waar je met een schip maar een paar keer voorbij komt. Maar het is het proberen waard!”

Lees ook:

Sleutelen aan oceanen: de oplossing voor het klimaat?

Oceanen zijn de hoofdrolspeler in ons klimaat, zegt de marien geoloog Gert Jan Reichart. Vroeg of laat zullen ingenieurs daar de oplossing zoeken van het klimaatprobleem.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden