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.

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 Woche 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 Anmeldung bis zum 15. Mai 2024 zwingend
erforderlich.

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 Infokasten).  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 CNRS 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.

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.

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.