Precise measurement of soil moisture with neutrons from cosmic rays (CRNS)

Funded by the BMBF German-Israeli Cooperation for Water Technologies
from Sep 2019 to Aug 2022, ref: 02WIL1522

Investigators:

• Dr. Nurit Agam, Ben-Gurion University, Blaustein Institutes for Desert Research
• Martin Schrön, UFZ, Dep. Monitoring and Exploration Technologies
  
• Steffen Zacharias, UFZ, Dep. Monitoring and Exploration Technologies

Forschungsziele

Die räumliche Bodenfeuchte-Verteilung sowie dessen zeitliche Dynamik gehören zu den Schlüsselparametern bei der Vorhersage von hydrologischen Ereignissen und bei der Planung von landwirtschaftlichen Maßnahmen. In besonders trockenen Gebieten der Erde tragen außerdem regenfreie Wassereinträge im Boden, d.h. Nebel, Tau und direkte Wasserdampfadsorption, wesentlich zum Wasserkreislauf bei.

Mit der neuartigen Technologie des Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) wäre es möglich, nicht nur allgemeine Bodenfeuchte-Änderungen räumlich und zeitlich hochauflösend effizient zu messen, sondern auch gerade in der Trockenzeit die subtile Dynamik des Bodennahen Wasseraustausches zu erfassen. Diese wissenschaftliche Herausforderung betrachten wir als Startpunkt, um die Präzision und Anwendbarkeit der CRNS-Technologie zu demonstrieren und diese in ariden Gebieten zu etablieren.

Wir schlagen vor, die CRNS-Methode unter den ariden Klimabedingungen Israels einzusetzen, um den Jahresgang des Bodenwassergehalts in der Negev-Wüste in räumlichen und zeitlichen Auflösungen zu untersuchen, die bisher als nicht realisierbar angesehen werden. Die generellen Ziele des des Projektes sind:

1. Test und Verbesserung der CRNS-Messtechnik, um eine erhöhte Präzision und Robustheit unter extremen klimatischen Bedingungen zu demonstrieren,
2. Bereitstellung von Informationen zur praktischen, operationellen Kartierung des Bodenwassergehalts in relevanten Maßstäben für die Integration in hydrologische Modelle sowie für das landwirtschaftliche Wassermanagement,
3. Vorbereitung der CRNS-Technologie für den unabhängigen, privat-wirtschaftlichen Betrieb.

Unsere technologischen Fortschritte können für die zukünftige Erforschung und Beobachtung des Bodenfeuchtezustandes in Israel und darüber hinaus genutzt werden. Am Ende unseres Projekts wird die CRNS-Technologie in der Lage sein, subtile Änderungen des Wassergehalts in trockenen Umgebungen aufzulösen und zuverlässige Karten der Bodenfeuchte über große Entfernungen, aber mit einer hohen räumlichen Auflösung, zu erstellen.

Damit wäre es möglich, ...

• fundierte Managemententscheidungen besser zu unterstützen, und
• die Widerstandsfähigkeit der Wüstenökosysteme unter extremen klimatischen Bedingungen zu erhöhen.

Unsere Methode wird auf andere semi-aride Regionen übertragbar sein und könnte zu einer Schlüsseltechnologie für ein integriertes Wasserressourcenmanagement werden. Die CRNS-Messungen können außerdem wesentlich dazu beitragen, das Prozessverständnis in hydrologischen Modellen zu verbessern und möglicherweise fehlende Komponenten des Wasserkreislaufes zu identifizieren.