Panorama

Kosmische Strahlung offenbart Bodenfeuchtigkeit

02.12.2019 - Projekt Cosmic Sense – Neutronensonden im Dienste der Klimaforschung.

Der Bauernkalender ist heute keine belastbare Quelle mehr für die Produktions­bedingungen in der modernen Landwirtschaft. Drohende Hochwasser oder Trockenperioden zuverlässig vorher­zusagen ist eine noch unbewältigte Heraus­forderung auch für die Wissen­schaft. Eine wesent­liche Rolle im Klima-Geschehen spielt der Wasser­austausch zwischen Boden und Atmosphäre. Um darüber nähere Erkennt­nisse zu gewinnen, haben Forscher von sieben Univer­sitäten und Helmholtz-Ein­richtungen aus ganz Deutschland im Sommer 2019 bei Peißenberg im Ost-Allgäu ein temporäres Obser­vatorium aufgebaut, um weltweit zum ersten Mal in einem inter­disziplinären Cluster mehr als zwanzig Neutronen­sonden im Dienste der Klimaforschung zusammenzulegen. Dessen Daten werden nun ausgewertet. In dem Forschungs­projekt der Deutschen Forschungs­gemeinschaft „Cosmic Sense“ leitet die TU Berlin mit dem Fachgebiet Geo­information in der Umweltplanung die Forschungs­einheit Fernerkundung.

Interessant sind für die „Cosmic Sense“-Forscher nicht vorrangig Niederschlag und Temperatur. Mit speziellen Sensoren sammeln sie Daten über die kosmische Strahlung, die permanent aus dem Weltall auf die Erde trifft, in sie eindringt und schließlich Aufschluss über die sich wandelnde Feuch­tigkeit im Boden gibt. Daraus wollen sie anschließend Prognosen über Klima-Geschehen wie drohende Hochwasser, Trocken- und Dürre­perioden ableiten. „Wasser ist die treibende Größe, es ist zentral für die Klima­veränderungen auf der Erde. Es ist ständig in Bewegung, in Boden, Luft, in Pflanzen, Tieren und Menschen“, erklärt Birgit Kleinschmit vom TU-Fachgebiet Geo­information in der Umweltplanung. Sie leitet zusammen mit Michael Förster im Projekt „Cosmic Sense“ die Forschungs­einheit Fernerkundung.

„Wir wollen im Projekt zum einen Muster in der Wasser­verteilung im Untersuchungs­gebiet erkennen, die für den durchwurzelten Boden repräsentativ sind, auch wenn sie sich durch Austrocknung und Nieder­schläge laufend ändern. Zum anderen erwarten wir nach einer großflächigen Berechnung der Bodenfeuchte, der wichtigsten Messgröße, nähere Erkenntnisse eben über den Wasseraustausch mit der Atmosphäre. Das könnte eindeu­tigere Klima-Prognosen erlauben“, sagt Kleinschmit. Bei den Messungen kommen einzigartige Daten­sammlungen zusammen, denn die verwendeten Messgeräte und die geo­physikalischen Verfahren weisen mehrere Besonderheiten auf: „Wir messen mit Neutronen­sonden der neuesten Generation, die Cosmic-Ray Neutron Sensors, kurz CRNS. Diese zählen die atmosphärisch erzeugten und vom Boden reflek­tierten Neutronen. Aus deren Anzahl kann man die Bodenfeuchte errechnen“, sagt Michael Förster. Physiker, Geologen, Hydrologen, Vegetations­experten und Technologen arbeiten mit den TU-Geo­informatiker Hand in Hand. „Die speziell entwickelten Neutronen­­sonden können sowohl stationär eingesetzt werden als auch mobil“, erklärt Förster weiter. „So decken wir ein Kerngebiet und zugleich eine ganze Region ab.“ 

Auch messen die modernen Sensoren zerstörungs­frei. Es müssen keine Gruben ausgehoben werden oder andere verfälschende Eingriffe in den Boden vorgenommen werden. Für den Forschungs­einsatz bei Peißenberg hatten die Forscher außerdem eine eigene, mit speziellen Sensoren bestückte, 100.000 Euro teure Drohne mitgebracht. Sie beobachtete das Gebiet aus 75 bis 100 Metern Höhe. Eine an der Drohne angebrachte Laser- und eine Hyper­spektralkamera lieferte zum Beispiel genaue Informationen über die Oberflächen­struktur der Landschaft sowie über Feuchte- und Wärme-Cluster im Gebiet. Die Informationen der Drohne können die Bodenfeuchte­werte der Neutronensonden auf größere Bereiche übertragen. Auf den Bildern der Wärme und Feuchtigkeit messenden Kameras sind Kühe zu erkennen, denn auch diese produzieren Wärme und verdunsten Feuchtigkeit. Auch die unter­schiedliche Wärme und Verdunstung von gemähten und ungemähten Wiesen ist zu erkennen. Einbezogen in die Berechnungen werden auch Satelliten­daten, überwiegend aus dem Erdbeobachtungs­programm Copernicus der EU und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR.

Mehrere Wochen haben die Projekt­beteiligten während ihrer Mess­kampagne im Sommer im Allgäu verbracht. Die detaillierte Daten­auswertung zielt nun auf die Erarbeitung zunächst eines regionalen Klimamodells, das auch Vorhersagen von Starkregen und Dürre­perioden erlaubt. Doch später soll es Blaupause auch für andere regionale Klimamodelle zur landwirt­schaftlichen Planung und Krisen­bewältigung sein, zum Beispiel in Dürre­gebieten Afrikas. Zunächst aber soll ein Bodenfeuchte-und-Dürre-Monitoring für ganz Deutschland entwickelt werden, denn für die Land­wirtschaft sind solche Modelle ganz entscheidend. „Die Landwirte vor Ort haben daher unsere Arbeit auch mit großem Interesse verfolgt“, so Birgit Kleinschmit.

TU Berlin / JOL

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