Lichtzuilen en gladde laagjes op de gracht

Wekelijks stuit Karel Knip in de alledaagse werkelijkheid op raadsels en onbegrijpelijke verschijnselen. Deze week: weerspiegelingen in het wateroppervlak.

Lichtzuilen op de Amsterdamse Bloemgracht (en een microlaag naast het schip Ares).
Lichtzuilen op de Amsterdamse Bloemgracht (en een microlaag naast het schip Ares). Foto Karel Knip

‘Lichtzuilen’, noemde bioloog / astrofysicus Marcel Minnaert (1893-1970) de langgerekte weerkaatsingen van straatlantaarns in licht golvend water. In Engelse vertalingen van zijn beroemde Licht en kleur in het landschap zijn ze trouwhartig light columns en light pillars genoemd, maar daarmee blijkt inmiddels iets heel anders te worden bedoeld. Zie internet. Het zou best kunnen dat er voor Minnaerts lichtzuilen geen Engels bestaat.

„Voor mij zijn de lange lichtstrepen der weerspiegelde lantarens onafscheidelijk verbonden met de rustige stemming van de avond. Ik zie de maan die zich spiegelt in zee, en er een brede stroom van licht over laat vloeien. Of ik denk aan de huizen en torentjes van het oude Brugge, weerspiegeld in de stille reien.” Zo begint Minnaert over die lichtzuilen in het eerste deel van De natuurkunde van ’t vrije veld. Onmiddellijk erop komt hij met een wiskundige verhandeling die plaats, richting en vorm van de lichtzuilen verklaren moet – het is het enthousiasme dat daarvan het langst blijft hangen.

De lichtzuilen van straatlantaarns ontstaan, anders dan die van zon en maan, alleen op „zacht gerimpeld” water, zoals Minnaert dat noemt. Is het water te wild dan komt de zuil niet goed uit de verf, is het water spiegelglad dan weerkaatst de lantaarn daarin zoals hij in een spiegel zou doen: zonder zuil. Bijgaande foto van de Amsterdamse Bloemgracht, afgelopen dinsdag genomen, toont een paar goed ontwikkelde lichtzuilen. Maar ook is te zien hoe wat verder naar achteren een windvlaag, die het grachtwater extra deed rimpelen, een paar lichtzuilen onderbreekt.

Lichtzuilen op de Amsterdamse Lijnbaansgracht. Foto Karel Knip

Het is niet een-twee-drie uit te leggen hoe rimpelingen in een wateroppervlak lichtzuilen kunnen doen ontstaan, lees het na bij Minnaert (dbnl.org). Wie zelf eens een lichtzuilexcursie houdt, ontdekt algauw dat sterkte, afstand en hoogte van de lichtbron in het verschijnsel een belangrijke rol spelen, maar dat er ook een intrigerende invloed is van de oriëntatie van de watergolven – als er überhaupt sprake is van oriëntatie.

Op ruimere wateroppervlakken (in Amsterdam zijn dat niet alleen IJ en Amstel, maar ook de PKHS-grachten) is het meestal maar een rommelig door elkaar geklots, zeker als er ook scheepvaart is. In smalle diep gelegen grachten, zoals de Bloemgracht en de Lijnbaansgracht waar het water bijna altijd kalm is, richten de golven zich meestal dwars op de lengterichting van de gracht, zoals je dat ook bij sloten ziet. Het vreemde gevolg daarvan is dat (het verlengde van) de lichtzuil soms niet bij de lichtbron lijkt uit komen. Op de foto doet zich dat voor bij de voorste lichtzuil. Minnaert gaat er uitvoerig op in: „Gerimpeld wateroppervlak met voorkeursrichting”. Kijk je dwars over de parallelle golven van de Bloemgracht naar een lantaarn aan de overkant, dan zie je bijna geen lichtzuil – op zichzelf weer een bewijs dat er een Minnaertse voorkeursrichting was.

Kijk je dwars over de gracht naar een lantaarn aan de overkant, dan zie je bijna geen lichtzuil. Foto Karel Knip

De windvlaag die het water op de Bloemgracht lokaal even extra deed rimpelen wekte daar een cat’s paw op, zoals dat in het Engels heet. Cat’s paws manifesteren zich als sterk rimpelende plekken van afwijkende lichtsterkte die maar heel even bestaan. Je zou ze kunnen stellen tegenover de slicks, de gladde plekken van het soort dat links op de foto te zien is, naast het schip dat Ares heet. Die handhaven zich juist heel lang. In de slicks ontbreken de kleinste golfjes maar ze zijn niet zo vlak als ze lijken, dat blijkt nog het duidelijkst uit het feit dat ze goede lichtzuilen kunnen vormen.

De slicks zijn tot ver in de jaren tachtig met olie en vet in verband gebracht. Minnaert heeft het (in deel drie van zijn Natuurkunde) onverbloemd over vetlaagjes en oliehuidjes en hoe die lokaal de oppervlaktespanning verlagen. Anderen, zoals David Lynch en William Livingston van het prachtige Color and Light in Nature (Cambridge University Press, 1995) noteerden dat de slicks worden opgewekt door dunne lagen organisch materiaal die door vethoudende organismen worden geproduceerd. Oceanografen en limnologen beschreven de dunne films altijd als een typische ‘dubbellaag’: vetachtige stoffen dreven op een laag van eiwitten en koolhydraten die aan de onderzijde werd begraasd door bacteriën en eencelligen.

Goed gehydrateerde gel

Inmiddels is dat idee herzien. Recente literatuur (FEMS Microbiology Reviews, 2011) meldt dat de lagen bestaan uit een goed gehydrateerde gel waarin macromoleculen en colloïden en vooral veel bacteriën zijn opgenomen. De gel vormt zich uit allerhande opgelost organisch materiaal. Van de weeromstuit is de natural film een surface microlayer gaan heten. De belangstelling voor de microlayers, die ook algemeen zijn op de oceanen en vanuit satellieten worden waargenomen, is formidabel toegenomen sinds men zich realiseert dat ze een grote invloed hebben op de gasuitwisseling tussen water en atmosfeer – denk aan de oceanische opname van CO2.

Er is geen gracht in Amsterdam waar de microlagen ontbreken, je ziet ze vooral goed als het zachtjes regent, en dat is veelzeggend: de gehydrateerde gel wordt immers actief afgebroken door al die bacteriën, protozoa, enzovoort, en er moet dus ook een continue aanvoer zijn van het opgeloste organisch materiaal waaruit de lagen worden opgebouwd. Waar komt dat vandaan, dat zou je wel eens willen weten. Uit de modder? Of uit het water waarmee de grachten regelmatig worden doorgespoeld? Dan komt het vuil van buiten de stad.