Satelliten helfen Europa beim Schutz seiner Seen, Lagunen und Flüsse.
Es ist früher Morgen in der Razelm-Sinoe-Lagune in Rumänien, als ein kleines Boot mit Instrumenten und Sonden aufbricht. Die Forscher an Bord sammeln Wasserproben und Messungen, um sie zur Analyse ins Labor zu bringen.
Der am Ufer des Schwarzen Meeres gelegene Razelmsee ist Teil des größten Feuchtgebiets Europas und gehört zum Weltkulturerbe: dem Donaudelta.
Nah und fern
Die Forscher sind Teil eines EU-finanzierten Projekts namens CERTO, das die Wasserqualität entlang von Küsten und an Orten mit Übergang zwischen Süß- und Salzwasser wie Lagunen, Flussmündungen und großen Flüssen verfolgt. Unterstützung erhält das Team nicht nur durch den Wassertransport, sondern auch durch etwas viel weiter entferntes: ein Satellitennetzwerk.
„Traditionell sind die Menschen mit Booten hinausgefahren und haben Proben genommen“, sagte Professor Steve Groom, CERTO-Koordinator und Leiter der Abteilung Wissenschaft/Erdbeobachtung am Plymouth Marine Laboratory im Vereinigten Königreich. „Aber es ist teuer und sie können nicht am selben Tag überall an der Küste sein. Wir gehen dazu über, Satelliten als Ergänzung zur In-situ-Überwachung einzusetzen.“
Die Razelm-Sinoe-Lagune wurde in den 1970er Jahren im Rahmen des Plans, eine Süßwasserquelle für die Landwirtschaft zu schaffen, fast vom Schwarzen Meer abgeschnitten.
Heutzutage gibt es nur noch einen Meeresarm. Der begrenzte Wasseraustausch mit dem Meer führte in Kombination mit dem Abfluss von Mineralien und Nährstoffen von nahegelegenen Bauernhöfen in den 1990er Jahren zu übermäßigem Pflanzen- und Algenwachstum und einem niedrigen Sauerstoffgehalt, der den Fischen und Wildtieren in der Lagune schadete.
Die Vielfalt der Lagune, einschließlich unterschiedlicher Wassertiefen und Salzgehalte, macht sie zu einem wertvollen Studienort – und das Interesse ist nicht nur akademischer Natur. Die Gewährleistung der Gesundheit der Küstengewässer ist sowohl für die Ökosysteme als auch für die Menschen, die von Aktivitäten wie Fischerei, Landwirtschaft und Tourismus leben, von entscheidender Bedeutung.
Die himmelwärts gerichtete Hilfe, die die CERTO-Forscher erhalten, erfolgt über Copernicus, den Erdbeobachtungsteil des EU-Weltraumprogramms. Copernicus nutzt Satellitendaten, um die Wasserqualität und -menge zu beobachten.
„CERTO rückt die Nutzung von Satellitendaten ins Rampenlicht“, sagte Adriana Maria Constantinescu, technische Leiterin einer Fallstudie zur Razelm-Sinoe-Lagune. „Wir können aus Satellitenbildern qualitativ hochwertige Daten gewinnen und die Arbeit, die wir vor Ort leisten, hilft, Algorithmen zu verbessern.“
Wasserfarben
CERTO nutzt an sechs Standorten Vor-Ort-Messungen und Satellitenbeobachtungsdaten. Darunter befinden sich auch die weltberühmte Lagune in Venedig, Italien und das Kurische Haff in Litauen.
Das Projekt, das nach fast vier Jahren im September dieses Jahres enden soll, untersucht Möglichkeiten zur Klassifizierung von Wasser.
„Der Fachbegriff lautet optische Wassertypen, aber es ist eigentlich nur eine Art zu sagen: ‚Dieses Wasser ist etwas schlammig‘ oder ‚Diese Gegend ist schön blau‘“, sagte Groom.
Der Begriff kategorisiert Gewässer anhand der Farbe des Lichts, das sie reflektieren.
Trübgrüne Teiche enthalten beispielsweise mehr organische Stoffe wie Algen als klare Teiche und reflektieren weniger blaues Licht. Trübes Wasser weist auch auf einen Nährstoffüberschuss hin, der für Fische und Wildtiere schädlich sein könnte.
Auf diese Weise kann die Verwendung von Satelliten zur Messung der Lichtreflexion von Gewässern dabei helfen, deren Gesundheitszustand zu bestimmen, ohne dass man in ein Boot hinausfahren und Proben entnehmen muss. Außerdem steht den Wissenschaftlern damit eine Datenbank zur Verfügung, die sie bei der Analyse von Gewässern desselben Typs nutzen können.
„Der Wert besteht darin, dass Sie nicht unbedingt überall Messungen vor Ort durchführen müssen, um Ihre Algorithmen zu validieren“, sagte Groom. „Wir versuchen, von Seen bis hin zu Ozeanen zu gehen und eine gemeinsame Reihe von Wassertypen für alle diese Gewässer zu entwickeln.“
Benutzerfreundliche Informationen
Darüber hinaus möchte CERTO Wissenschaftlern die Nutzung der verfügbaren Informationen zur Wasserqualität erleichtern und bestehende Datenlücken schließen.
Derzeit liefern drei Copernicus-Dienste mit jeweils unterschiedlichen Ansätzen Informationen zur Wasserqualität, was den Überblick für Wissenschaftler erschwert. Darüber hinaus werden einige Gebiete wie Übergangsgewässer überhaupt nicht von einem Dienst abgedeckt.
Das Erbe des Projekts wird Prototypensoftware sein, die in bestehende Copernicus-Dienste integriert werden kann, sowie beliebte Open-Source-Software namens SNAP, die in der Forschungsgemeinschaft häufiger verwendet wird.
Constantinescu, der Leiter einer Razelm-Sinoe-Studie, erwartet, dass die CERTO-Arbeit zu mehr Forschung in der Lagune führen wird. Die Filtereigenschaften von Schilfgürteln oder ihre Rolle bei der Dämpfung von Windwellen könnten einige der naturbasierten Lösungen sein, die zur Bekämpfung der Küstenerosion untersucht werden.
Lebenswichtiges Grundwasser
Auch Satellitendaten werden genutzt, um Europas Grundwasser im Auge zu behalten.
Das von der EU finanzierte G3P-Projekt verfolgte drei Jahre lang bis 2022 Schwankungen in lebenswichtigen Grundwasserreserven.
Das Projekt nutzte Daten sowohl von Copernicus als auch von einer gemeinsamen US-deutschen Satellitenmission namens GRACE, die seit ihrem Start im Jahr 2002 die Sicht der Wissenschaftler auf die Art und Weise verändert hat, wie sich Wasser auf dem Planeten bewegt und gespeichert wird.
„Grundwasser ist eine der wichtigsten Ressourcen der Menschheit“, sagte Professor Andreas Güntner, der G3P koordinierte und am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam arbeitet.
Grundwasser macht weltweit fast ein Drittel der gesamten Süßwasserressourcen aus. In der EU liefert es 65 % des Trinkwassers und ein Viertel des Wassers für die landwirtschaftliche Bewässerung.
Das Grundwasser wurde auch von einer internationalen Nichtregierungsorganisation namens Global Climate Observing System zu einer wesentlichen Klimavariablen erklärt – einem entscheidenden Indikator dafür, wie sich das Erdklima verändert.
Copernicus liefert noch keine konsistenten, weltweiten Daten über Grundwasserreserven und deren Entwicklung.
Datenwunder
Das G3P-Team hat einen neuen Datensatz erstellt, um diese Lücke zu schließen.
Die Forscher stützten sich auf Informationen von GRACE, bei denen es um Zwillingssatelliten ging. Eine erste GRACE-Mission dauerte 15 Jahre und eine Folgemission begann 2018.
Der Abstand zwischen den beiden Satelliten ändert sich ständig abhängig von der Massenverteilung unter ihnen. Wenn man sich beispielsweise schweren Massen wie Bergen, Eisschilden und großen Grundwasserreserven nähert, beschleunigt er und der Abstand zum anderen Satelliten vergrößert sich.
Durch die Verfolgung des gravitativen Schubs und Ziehens der Raumsonde während ihres Flugs über verschiedene Landschaften konnten Wissenschaftler die Verteilung des Wassers auf und unter der Erdoberfläche und deren Veränderungen kartieren.
Es ist wichtig, mehr über Grundwasserreserven, ihre Veränderungen und ihre Auswirkungen durch menschliche Aktivitäten wie die Landwirtschaft zu wissen, da Länder versuchen, die Bewirtschaftung der Wasserressourcen im Allgemeinen zu verbessern.
„In einigen Regionen der Welt hat die Entnahme von Wasser aus Grundwasserleitern zur Bewässerung zu mehr Entnahme als Wiederauffüllung geführt – mit anderen Worten zu einer nicht nachhaltigen Nutzung“, sagte Güntner. „Der erste globale beobachtungsbasierte Grundwasserdatensatz ist wirklich eine erstaunliche Sache.“
Es stehen jedoch noch viele weitere Untersuchungen an, um den Datensatz besser zu nutzen.
„Der nächste Schritt ist eine eingehende Analyse der Grundwasserdaten, die wir erhalten haben, um zu verstehen, wie sich die Grundwasserressourcen in den letzten 20 Jahren verändert haben, wie diese Veränderungen mit dem Klimawandel und veränderten Niederschlägen zusammenhängen und wie viel davon auf menschliche Eingriffe zurückzuführen ist.“ „, sagte Güntner.