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Innovative Messung der Bodenfeuchte

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Autor: Kathrin Mundt

Innovative Messung der Bodenfeuchte
Fernerkundung des CRNS-Feldlabors in der Nähe von Potsdam. Copyright: Tobias Hopfgarten (ZIM Universität Potsdam)

Seit 2018 arbeitet die von der DFG geförderte Forschungsgruppe “Cosmic Sense” daran, die Messung des Wassergehalts im Boden zu verbessern. Beteiligt sind Wissenschaftler:innen vom Institut für Agrosphäre des Forschungszentrums Jülich. Nachdem der Folgeantrag für weitere drei Jahre vor kurzem bewilligt wurde, startet das Projekt nun in die zweite Phase. Bei einem Auftakttreffen am 9. und 10. Mai 2022 kamen die Forscher:innen aller neun beteiligten Institutionen zusammen, um die bevorstehenden Arbeiten und gemeinsamen Messkampagnen zu planen. Sprecher von “Cosmic Sense” ist der Umweltwissenschaftler Prof. Sascha Oswald von der Universität Potsdam.

Methode Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS)

Im Zentrum der Forschung von “Cosmic Sense” steht die Methode Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS). Diese nutzt kosmische Strahlung, die fortlaufend aus dem Weltraum auf unsere Erde trifft und in Wechselwirkung mit der Atmosphäre dort Neutronenstrahlung erzeugt. Abhängig von der Menge an Wasser im Boden oder in den Pflanzen wird diese Neutronenstrahlung unterschiedlich an der Landoberfläche reflektiert und verrät so etwas darüber, wie viel Wasser in der Landschaft gespeichert ist.

Die Vorteile von CRNS gegenüber herkömmlichen Bodenfeuchtemessungen überzeugen: Anstatt eine Vielzahl einzelner Sensoren mühsam zu vergraben, wird nur ein CRNS-Detektor an der Landoberfläche aufgestellt, der zerstörungsfrei einen repräsentativen Messwert der Neutronen für die Fläche innerhalb eines Radius von 150 bis 200 m um den Sensor liefert. Diese Flächengröße ist nicht nur relevant für praktische Anwendungen, wie z.B. die Steuerung von Bewässerung in der Landwirtschaft, sondern stellt auch für die Wissenschaft eine wertvolle Grundlage dar, um Punktmessungen der Bodenfeuchte mit großflächigen Daten aus der Fernerkundung oder hydrologischen Modellen zu verknüpfen.

Verschiedene Wasserspeicher im Boden

Die Forschungsgruppe hat in den vergangenen drei Jahren daran gearbeitet, die Mess- und Auswertungsverfahren um CRNS zu verbessern und anwendbar zu machen. Neben der Entwicklung und Erprobung neuer, auf spezielle Fragestellungen angepasster Neutronendetektoren ging es auch darum, die Interpretation der gemessenen Signale zu verbessern. Sascha Oswald: “Wir wollten verschiedene Wasserspeicher im Boden und in den Pflanzen besser voneinander unterscheiden und Muster aus mehreren sich überschneidenden CRNS-Messungen ableiten. Dies konnten wir erstmalig für ein ganzes Einzugsgebiet und ein CRNS-Feldlabor in der Nähe von Potsdam umsetzen.” Darüber hinaus kamen laut Oswald verschiedene mobile Anwendungen zum Einsatz: Allen voran mit CRNS-Sensoren bestückte Geländewagen, aber auch erste Messungen aus einem Luftschiff. Durch den Vergleich zu physikalischen Simulationen der Neutronenintensitäten und die Kombination mit Daten aus satelliten- und drohnengestützten Fernerkundungsverfahren hat das Team erhebliche Fortschritte bei der Erfassung von Bodenfeuchtemustern erzielt. Aus dem Jülicher Institut für Agrosphäre kommt u.a. eine verbesserte Quantifizierung von Bodenfeuchte und Biomasse durch Kombination von bodengestützten Neutronen- und LiDAR-Sensoren mit prozessbasierten Modellen.

In der zweiten Phase von “Cosmic Sense” werden diese Arbeiten weitergeführt. Neu ist dabei laut Oswald z.B. ein stärkerer Schwerpunkt auf Schneemessungen, denen durch die Einbindung neuer Partner an der Universität Innsbruck sowie hochalpiner Messflächen Rechnung getragen wird. Zudem soll durch eine Kombination aus Fernerkundungs- und Modellierungsdaten, geschickt positionierten CRNS-Sonden und mobilen Messungen, etwa mit Gondelfahrten, die Anwendung auf größere Flächen ausgeweitet werden.

Kooperationspartner der DFG-Forschungsgruppe 2694 an der Universität Potsdam sind neben dem Forschungszentrum Jülich die Universität Augsburg, die Technische Universität (TU) Berlin, die Universitäten Heidelberg und Innsbruck, das Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).

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