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Wasser im Boden – genaue Daten für Landwirtschaft und Klimaforschung

Die PTB präsentiert auf der Woche der Umwelt, wie sich die Bodenfeuchte mithilfe von Neutronenstrahlung messen lässt

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30.04.2024

Die Bodenfeuchte hat nicht nur Auswirkungen auf die Landwirtschaft, sondern ist als Teil des globalen Wasserkreislaufs ein wichtiger Schlüsselfaktor für Wetter und Klima. Für ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge braucht man genaue Messdaten: Die PTB stellt ein noch junges Verfahren zur Messung der Bodenfeuchte auf der Opens external link in new windowWoche der Umwelt im Schloss Bellevue vor. Zur Veranstaltung – mit ihrem Fokus auf Projekten für eine nachhaltige Zukunft – laden Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein. Zu der öffentlichen Veranstaltung, ist eine Opens external link in new windowAnmeldung bis zum 15. Mai 2024 zwingend erforderlich.

Bodenfeuchtemessung mit kosmischen Neutronen (CRNS): Neutronen aus der Atmosphäre werden je nach Feuchtigkeitsmenge im Boden in unterschiedlichem Maß reflektiert. Die reflektierten Neutronen lassen sich mit Detektoren messen, die direkt auf dem Feld stehen. (Abbildung: PTB) Für hohe Auflösung bitte auf das Bild klicken.

Mit einer solchen kommerziellen Apparatur lässt sich die Bodenfeuchte innerhalb eines Radius von 100 Metern um den Detektor mittels kosmischer Neutronen messen. Der eigentliche Detektor befindet sich in dem rund 1,5 Meter langen grünen Zylinder. Der graue Kasten unten am Mast enthält Elektronik und einen Datenspeicher, während ein Solarpanel für Strom sorgt. (Foto: PTB) Für hohe Auflösung bitte auf das Bild klicken.

Die Bodenfeuchte ist Teil des globalen Wasserkreislaufs. Nur ein gesunder und ausreichend feuchter Boden kann dafür sorgen, dass Landökosysteme einen großen Teil des Kohlendioxids der Luft langfristig in Form von Kohlenstoff speichern und so die die globale Erwärmung verlangsamen. Deshalb gehört die Bodenfeuchte zu den wesentlichen Klimavariablen (Essential Climate Variables), die die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) definiert hat.  Die kontinuierliche Messung der Bodenfeuchte hat weltweit Bedeutung für die Landwirtschaft. Sie liefert aber auch neue Daten für die Klimaforschung, die Klimafolgenanpassung und das Wassermanagement. Doch vielfach sind die unterschiedlichen Messverfahren nicht direkt vergleichbar oder interoperabel.

„Unser Ziel ist, die verschiedenen Messverfahren für Bodenfeuchte auf die gemeinsame Basis internationaler Standards zu stellen, damit sie vergleichbar und aussagekräftig werden“, erklärt Dr. Miroslav Zboril, Physiker in der PTB und Koordinator des europäischen Forschungsprojekts SoMMet (Soil Moisture Metrology, siehe Info unten).  Denn bisher werden hauptsächlich zwei sehr unterschiedliche Verfahren genutzt: Sensoren im Boden, die punktgenaue Informationen liefern sowie die Messung per Satellit, die mehrere Quadratkilometer abdeckt.

Ein drittes Verfahren könnte in Zukunft den Größenbereich dazwischen abdecken – um beispielsweise Aussagen über den Feuchtezustand eines bestimmten Ackers zu machen: die Bodenfeuchtemessung mit kosmischen Neutronen (CRNS = Cosmic-Ray Neutron Sensing). „Mit dem CRNS will die wissenschaftliche Community die Lücke zwischen den beiden etablierten Verfahren schließen, und in der PTB erschaffen wir die notwendige metrologische Grundlage dafür“, erklärt Zboril. Letztendliches Ziel des SoMMet-Projektes ist, dass Bodenfeuchtemessungen effektiv, metrologisch gesichert und konsistent über alle Längenskalen hinweg funktionieren. Zusätzlicher Vorteil ist, dass das Verfahren kostengünstig weltweit eingesetzt werden kann – auch in weniger wohlhabenden Ländern, die stark von Wassermangel betroffen sind. 

Das Messprinzip des CRNS nutzt die natürliche 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 werden die Neutronen an der Landoberfläche reflektiert und mit einem über dem Boden stehenden Detektor gemessen. Mit CRNS kann die mittlere Bodenfeuchte im Bereich der Wurzelzone innerhalb eines Radius von etwa 100 Metern rund um den Detektor erfasst werden.

„Wir hoffen, dass wir bei Projektende im September des kommenden Jahres der Weltorganisation für Meterologie handfeste Ergebnisse zur Verfügung stellen können, die dann in ihre Empfehlungen zur Messung der Bodenfeuchte einfließen“, sagt Zboril. Das würde die Messungen weltweit deutlich aussagekräftiger machen und Klimamodellen ebenso zugutekommen wie einem besseren Verständnis aller Zusammenhänge zwischen Boden, Wetter und Klima.

Gut zu wissen 1: Ohne Rückführung keine aussagekräftige Feuchtemessung

Der Begriff „Rückführung“ ist den meisten Menschen nicht geläufig, aber sehr wichtig, wenn es um Vertrauen in Messungen geht. Stellen Sie sich vor: Eine Forscherin misst die Bodenfeuchte mit drei verschiedenen Messverfahren und erhält drei unterschiedliche Ergebnisse. Was nun? Aussagekräftig werden die Ergebnisse erst, wenn man die Verfahren rückführt, also mit einem gemeinsamen Standard höchster Güte vergleicht. Dann weiß man, wie sehr die Ergebnisse der einzelnen Verfahren von denen des Standardverfahrens abweichen und kann sie entsprechend korrigieren. Erst dann sind die Ergebnisse der unterschiedlichen Messverfahren vergleichbar.  Der höchste Standard kann unterschiedlich aussehen, mal ist es beispielsweise ein einzigartiges Gerät (z. B. in der PTB), mal eine Standardflüssigkeit oder aber die Definitionen der physikalischen Einheiten selbst, wie sie im internationale Einheitensystem (SI) beschrieben sind.

Gut zu wissen 2: Forschungsprojekt SoMMet (Soil Moisture Metrology)

Am europäischen Forschungsprojekt SoMMet (Soil Moisture Metrology) sind 18 Forschungseinrichtungen aus elf Ländern beteiligt. Ihr Ziel ist die verbesserte Vergleichbarkeit und Interoperabilität unterschiedlicher Messungen, um bestmögliche Informationen über die Bodenfeuchte zu gewinnen. Das Projekt wird von der Europäischen Partnerschaft für Metrologie gefördert, die aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont Europa der Europäischen Union und von den teilnehmenden Staaten kofinanziert wird. Hier geht es zur Projekt-Webseite.

Gut zu wissen 3: Das PTB-Innovationscluster Umwelt und Klima

Wer verlässliche Aussagen über Ökosysteme oder Klimaveränderungen machen will, braucht genaue Messungen. Die PTB ermöglicht solche Messungen in einzigartiger Genauigkeit und macht sie weltweit vergleichbar. Ihr Innovationscluster Umwelt und Klima ist eines von sechs übergreifenden Clustern, die die großen Fragen der Gegenwart und Zukunft im Blick haben.

PTB-Ansprechpartner:

Dr. Miroslav Zboril, Leiter der PTB-Arbeitsgruppe Neutronenspektrometrie, Tel.: (0531) 592-6430, E-Mail: miroslav.zboril(at)ptb.de