Kurzinformation vom 14. Mai 2019

Wege des Wassers – weiteres Observatorium für Bodenfeuchte entsteht

Wie entstehen Hochwasser? Wann drohen besonders trockene Phasen? Und wie könnte sich unser Klima weiter wandeln? Um diese und weitere Fragen zu beantworten, bedarf es mittelfristiger Prognosen, kurzfristiger Rekonstruktionen und langfristiger Simulationen der Phänomene. Doch diese sind gegenwärtig limitiert durch die Qualität der Messungen von Bodenfeuchte über größere Flächen. Dies zu ändern, ist Ziel der interdisziplinären, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsgruppe "Cosmic Sense", in der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Deutschland zusammenarbeiten.

Ein erster großer Schritt ist der Aufbau eines zeitlich limitierten Observatoriums im bayerischen Voralpenland, das vorübergehend in das dortige TERENO Pre-Alpine Observatory integriert wird. Beginnend mit dem 13. Mai werden zwei Monate lang unterschiedliche Beobachtungsmöglichkeiten in einem Untersuchungsgebiet zusammengeführt. Als Dreh- und Angelpunkt dient dabei die Messung von Bodenfeuchte über Schwankungen des natürlichen Hintergrunds an atmosphärisch erzeugten Neutronen. Die speziell entwickelten Neutronensonden werden stationär und mobil eingesetzt und decken so ein Kerngebiet und zugleich eine ganze Region ab. Dafür werden erstmals weltweit mehr als 20 dieser Neutronensonden zu einem gemeinsamen Cluster im temporären Observatorium zusammengelegt. Darunter sind  zwei Typen von Neutronensonden der neuesten Generation - auch das ist eine Premiere. Dank paralleler Messungen mithilfe von Drohnen und anderen geophysikalischen Verfahren vergleichen die Wissenschaftler die Daten mit den Ergebnissen weiterer Untersuchungsmethoden.

Die Forschenden hoffen, Muster in der Wasserverteilung im TERENO-Gebiet zu erkennen, die für den durchwurzelten Boden repräsentativ sind, auch wenn sie sich durch Austrocknung und Niederschläge laufend ändern. In einem zweiten Schritt ist der Transfer solcher Messergebnisse geplant - hin zur großflächigen Berechnung der Bodenfeuchte und des Austausches mit der Atmosphäre, dem Grundwasser und den Flüssen. Diese Übertragung erfolgt mithilfe von Simulationsmodellen, die sich im Vergleich zu den Messungen bewähren und dabei ständig verbessert werden müssen. Ein solcher Transfer wird als Teil der geplanten Forschungsaktivitäten bereits für die Region rund um das Observatorium erfolgen.

Einer der Forschungsschwerpunkte des UFZ in "Cosmic Sense" ist es, ein Konzept zur mobilen Erfassung von Bodenfeuchten mithilfe von Neutronensonden zu entwickeln. Während stationär betriebene Neutronensonden hervorragend geeignet sind, die zeitlichen Schwankungen im Bodenwassergehalt innerhalb eines bestimmten Bereichs zu erfassen, erlaubt ein mobiler Einsatz der Neutronensonden die Erfassung der räumlichen Variabilität auf größeren Flächen oder entlang längerer Fahrstrecken. Angesichts der teilweise großen räumlichen Unterschiede in der Landschaft ist die Ableitung von Bodenfeuchten anhand der durch Neutronensonden im mobilen Betrieb gemessenen Signale eine große Herausforderung. Das UFZ entwickelt und erprobt im Rahmen des Forschungsprojekts Strategien und Methoden, mit denen Signale von Neutronensonden vor allem im mobilen Betrieb leichter interpretiert werden können. Diese Forschungsarbeiten laufen am UFZ in enger Abstimmung mit der Helmholtz-Initiative MOSES.

Die DFG fördert die von der Universität Potsdam koordinierte Forschungsgruppe "Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons" (Cosmic Sense), die im November 2018 ihre Arbeit aufnahm, zunächst für drei Jahre.

TERENO (Terrestrial Environmental Observatories) - ein interdisziplinäres, langfristiges Forschungsprogramm der Helmholtz-Gemeinschaft - spannt ein Netzwerk zur Erdbeobachtung über ganz Deutschland auf, welches sich von der norddeutschen Tiefebene bis zu den bayerischen Alpen erstreckt. Ziel dieses einzigartigen Großprojektes ist die Katalogisierung langfristiger ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Auswirkungen des globalen Wandels auf regionaler Ebene.

MOSES steht für "Modular Observation Solutions for Earth Systems". In dieser Initiative bauen neun Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft gemeinsam mobile und modular einsatzfähige Beobachtungssysteme auf, um die Auswirkungen zeitlich und räumlich begrenzter dynamischer Ereignisse, wie extremer Niederschlags- und Abflussereignisse, auf die langfristige Entwicklung von Erd- und Umweltsystemen zu untersuchen.

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