Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) am UFZ

Was ist Cosmic-Ray Neutron Sensing?

Kosmische Strahlung erzeugt kontinuierlich schnelle Neutronen in der Erdatmosphäre. Da Wasserstoffatome diese Neutronen besonders effizient abbremsen, lässt sich aus der gemessenen Neutronenintensität nahe der Erdoberfläche der Wassergehalt der Umgebung ableiten – berührungslos, wartungsarm, und repräsentativ für große Flächen (~10 Fußballfelder) und Tiefen bis in die Wurzelzone (~50 cm). Das Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) nutzt genau dieses Prinzip zur nicht-invasiven Messung von Bodenfeuchte, Schnee und anderen Umweltwasserreservoirs. Die Methode kann dazu beitragen, zentrale Wissenslücken im Verständnis des Landschaftswasserhaushalts zu schließen (Oswald et al., 2024).

Unsere Forschungsthemen:

1. Umweltmonitoring und Messnetzwerke

Stationäre CRNS-Sensoren ermöglichen kontinuierliches, flächenrepräsentatives Umweltmonitoring. Am UFZ betreiben wir mehr als 20 Stationen europaweit haben maßgeblich zur Datenanalyse des europäischen Netzwerks COSMOS-Europe beigetragen (Bogena & Schrön et al., 2022). In dicht instrumentierten Einzugsgebieten – sowohl im voralpinen Raum als auch in Norddeutschland – liefern Sensornetzwerke hochwertige Langzeitdaten (Fersch et al., 2020; Heistermann et al., 2023). Ein Jahrzehnt kontinuierlicher Messung in einem deutschen Laubwald zeigt das Potenzial für langfristige Ökosystembeobachtung (Pohl et al., 2025). CRNS-Sensoren sind außerdem fester Bestandteil von TERENO, dem integrierten terrestrischen Umweltobservatorium Deutschlands (Zacharias et al., 2024). Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass CRNS-Netzwerke auch in urbanen Gebieten eingesetzt werden können, um den städtischen Wasserhaushalt zu überwachen (Schrön et al., 2018b). In Kooperation mit der Universität Bristol wurde die Genauigkeit der Methode unter humiden Klimabedingungen untersucht (Iwema et al., 2021). Mobile CRNS-Systeme liefern räumliche Bodenfeuchtedaten, mit denen erstmals großräumige Muster gemessen und mit hydrologischen und Wettermodellen verglichen werden konnten (Wieser et al., 2023; Kunz et al., 2022; Handwerker et al., 2025).

2. Landwirtschaft und Bewässerungsmanagement

CRNS-Sensoren können direkt für die Steuerung von Tröpfchenbewässerung eingesetzt werden (Li et al., 2019). Pflanzliche Biomasse beeinflusst das Neutronensignal und muss bei der Auswertung berücksichtigt werden (Al-Mashharawi et al., 2025). Neutronentransportsimulationen helfen dabei, Feldexperimente zu bewässerten Flächen besser zu interpretieren und die Methode für die landwirtschaftliche Praxis weiterzuentwickeln (Brogi et al., 2026).

3. Innovative mobile Messtechnik – Autos, Züge, Luftschiffe

Eine besondere Stärke von CRNS liegt in der Mobilität. Rover-Kampagnen mit CRNS-Sensoren in Autos liefern räumlich differenzierte Feuchtemuster. Wir zeigen den Nutzen für landwirtschaftliche und hydrologische Anwendungen und wie Infrastruktur wie Straßen das Neutronensignal beeinflussen (Schrön et al., 2018a). Unsicherheiten solcher räumlicher Messungen haben wir systematisch abgeschätzt (Jakobi et al., 2020). Solche Messungen lassen sich gemeinsam mit anderen hydrologischen Mess- und Modelldaten dreidimensional visualisieren und analysieren (Rink et al., 2022). Maschine-Learning ermöglicht es schließlich, von einzelnen Messstrecken auf die Fläche zu schließen und dabei den Einfluss von Messunsicherheiten zu quantifizieren (Dega et al., 2023; Paasche et al., 2025). Auf Zügen montiert, decken mobile Systeme transregionale Gebiete ab (Schrön et al., 2021; Altdorff et al., 2023). In Kombination mit SAR-Fernerkundung und validiert durch Bodenproben entsteht ein leistungsstarkes multimodales Beobachtungssystem (Fersch et al., 2018). In Sachsen-Anhalt haben wir Airborne Neutron Sensing erstmals auf einem Gyrokopter (Lausch et al., 2019), und in einem Nationalpark mittels Heißluft-Luftschiff (Heistermann et al., 2022). Simulationen helfen dabei zu verstehen, wie sich das Neutronensignal mit der Flughöhe verändert (Francke et al., 2025, Schrön, 2017).

4. Hydrologische Modellierung und Dürreforschung

CRNS-Daten verbessern die Parametrisierung und Validierung hydrologischer Modelle erheblich: Mit mobilen Messungen auf Zügen lassen sich erstmals räumliche Bodenfeuchte-Muster großskaliger Modellen validieren (Fatima et al., 2025), stationäre Netzwerke ermöglichen die Nutzung der Daten für die Validierung von Dürresimulationen in Deutschland (Fatima et al., 2024; Boeing et al., 2022) und Wasserhaushaltsmodelen in Brandenburg (Heistermann et al., 2026). CRNS liefert außerdem wichtige Beobachtungen für gekoppelte Land-Atmosphäre-Modellsysteme (Arnault et al., 2025) und könnte auch als Option zur Parameteroptimierung von multiskaligen Wasserhaushaltsmodelle nützlich sein (Rakovec et al., 2015; Cuntz et al., 2015). Auch satellitenbasierte Bodenfeuchteprodukte können durch den Vergleich mit CRNS-Netzwerken systematisch validiert werden (Schmidt et al., 2024).

5. Schnee-Monitoring in Arktis und Alpen

In alpinen Gebieten ermöglicht CRNS die flächige Erfassung des Schneewasseräquivalents – der Einfluss partieller Schneebedeckung auf das Signal muss dabei sorgfältig berücksichtigt werden (Schattan et al., 2019). Mobile CRNS-Systeme auf Zügen eröffnen neue Möglichkeiten für transregionales Schnee- und Bodenfeuchte-Monitoring über weite Strecken (Schrön et al., 2021). Auf Spitzbergen (Arktis) werden CRNS-Detektoren unter kältesten Bedingungen bei Schnee und Eis eingesetzt, um heliosphärische und geomagnetische Einflüsse auf die kosmische Strahlung zu beobachten (Riggi et al., 2025).

6. Solare Ereignisse und Space Weather

Die kosmische Neutronenintensität wird nicht nur von Bodenfeuchte beeinflusst, sondern auch von Sonnenaktivität und geomagnetischen Störungen. Mit einem CRNS-System auf einem See können atmosphärische, geomagnetische und heliosphärische Einflüsse sichtbar gemacht werden, wie z.B. Sonnenstürme und erhöhte kosmischer Strahlung aus dem Weltraum (Schrön et al., 2016, Schrön & Rasche et al., 2024). Die Idee wurde u.a. in Australien weiterverfolgt (McJannet et al., 2025). Während der extremen Sonnenstürme im Mai 2024 wurden auf Spitzbergen markante Ereignisse registriert (Riggi & Hertle et al., 2025) und der Einfluss auf verschiedene Neutronen-Energien aber auch Myonen untersucht. Wie sich das Erdmagnetfeld auf die globale Verteilung der kosmischen Strahlung auswirkt, haben wir von Europa bis zum Südpol mit dem Forschungsschiff "Polarstern" gemessen (Hertle et al, 2026). Die korrekte Korrektur der eingehenden Neutronenintensität auf Basis globaler Neutronenmonitore ist dabei ein zentrales methodisches Thema (Hertle et al., 2025) und wäre ein Ansatz für den Ausbau zukünftiger Netzwerke (Franz et al., 2025).

7. Grundlagenforschung: Detektorphysik und Simulation

Das physikalische Fundament der CRNS-Methode erfordert ein tiefes Verständnis von Neutronentransport und Detektoreigenschaften. Gemeinsam mit der Uni Heidelberg entstand "URANOS" (Köhli et al., 2023), eine Neutronentransport-Simulation speziell für Umweltanwendungen, mit der wir theoretisch untersuchen können, wie Neutronen auf verschiedene Umweltbedingungen reagiert (Francke et al., 2025). Dadurch können wir Messgeräte selbst besser verstehen lernen (Köhli et al., 2018) und ganz praktisch zu einer besseren Übersetzung von Neutronen zu Bodenfeuchte beitragen, was insbesondere in ariden Gebieten wichtig ist (Köhli et al., 2021). Durch Analyse verschiedener Neutronenenergien lassen sich sogar heterogene Bodenfeuchtemuster innerhalb des Messbereichs auflösen (Rasche et al., 2021). Ein urbanes Gebiet haben wir mit URANOS komplett nachsimulieren können und die vorhergesagten Neutronen mit verschiedenen Detektorsystemem unter kontrollierten Bedingungen verglichen (Schrön et al., 2018b). Neue Konfigurationen wie richtungssensitive Detektoren (Francke et al., 2022) und der Einsatz in Bohrlöchern (Rasche et al., 2023) werden ebenfalls erprobt und mit URANOS modelliert. Die Unsicherheiten des Messsignals untersuchen wir auch empirisch (Baroni et al., 2018, Iwema et al., 2017), und wir entwickeln neuartige Methoden zur Kalibrierung des Sensors ohne lokale Bodenproben, auf Basis global gültiger Parameter (Heistermann et al., 2024). Mit dem besseren theoretischen Verständnis können wir nun präzise beschreiben, aus welchem Gebiet wieviele Neutronen zum gemessenen Signal beitragen, selbst in komplexen Umgebungen (Schrön et al., 2023, Brogi et al., 2026).