Änderungen der Wasserspeicherung in der Landschaft mit der Waage bestimmen

Das supraleitende Gravimeter im geodätischen Observatorium Wettzell im Bayrischen Wald (Foto: S. Schröder, GFZ).

20.07.2017: Das System Erde ist hochkomplex, es besteht aus einer Vielzahl ineinandergreifender Kreisläufe. Für die Forschung ist es deshalb eine besondere Herausforderung, Mengenverteilungen, also die Bilanzen von Energie- und Stoffflüssen in der Umwelt zu bestimmen. Wissenschaftler der GFZ-Sektion Hydrologie haben zusammen mit Kollegen aus dem Berliner Senat, dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie und der Universität Potsdam nun gezeigt, dass sich die Wasserbilanz in der Landschaft „wiegen“ lässt.

Innerhalb des Wasserkreislaufs ist die Kenntnis über die Menge des gespeicherten Wassers von besonderer Bedeutung. Sie bestimmt, wieviel Wasser sich im aktiven Teil des Kreislaufs befindet und damit den Austauschprozessen zwischen Atmosphäre, Landflächen und Ozeanen unterliegt. Wasser ist weltweit - insbesondere in trockenen Regionen - eine wichtige Ressource. Das Wissen darüber, wieviel Wasser beispielsweise der Untergrund speichert, ist die Basis eines nachhaltigen Wassermanagements.

Wasser kommt in der Landschaft in vielen Teilspeichersystemen vor, wie der Pflanzenbiomasse, den Böden, dem Grundwasser, der Schneebedeckung oder den Oberflächengewässern. Sie müssten theoretisch einzeln überwacht werden, um Änderungen in der Gesamtmenge an gespeichertem Wasser zu bestimmen. Seit einigen Jahren beobachtet die Satellitenmission GRACE, an der auch das GFZ beteiligt ist, Änderungen in der Wasserbilanz. Die gewonnenen Daten haben jedoch nur eine geringe zeitliche und räumliche Auflösung. Das Team um Erstautor Andreas Güntner hat deshalb einen eher ungewöhnlichen Ansatz gewählt, um Wassermengen zu bestimmen. Die Ergebnisse sind nun in der Fachzeitschrift Hydrology and Earth System Sciences veröffentlicht.

Die Erdanziehung „wiegen“

Für über ein Jahr hat das Team im geodätischen Observatorium Wettzell im Bayrischen Wald ein hochpräzise messendes Gravimeter installiert. In diesem Messinstrument erzeugen supraleitende Spulen ein elektromagnetisches Feld, in dem eine Metallkugel als Testmasse schwebt. Jede Bewegung der Testmasse wird genau registriert. So nimmt das Gravimeter Veränderungen in der Erdschwere wahr, die durch Massenveränderungen verursacht werden. Sie lassen sich als Änderung in der gespeicherten Wassermenge deuten. Das Gravimeter funktioniert also ähnlich einer Waage.

Massenänderungen unterhalb und oberhalb des Gerätes fließen in die Messung ein. So lässt sich mit dem Gravimeter auch die Verdunstung überwachen: Wasser, das durch die „Atmung“ der Pflanzen oder von der Erdoberfläche verdunstet, leert die Wasserspeicher. Messungen der aktuellen Verdunstung waren bisher nur eingeschränkt möglich. Sie sind aber von großer Bedeutung, zum Beispiel um zu erforschen, wie Pflanzen auf Umweltveränderungen wie Temperaturerhöhungen oder Wasserstress reagieren.

Die Studie zeigt erstmals, dass ein hochsensitives Instrument wie ein supraleitendes Gravimeter nicht nur unter Laborbedinungen, sondern auch unter stark schwankenden Wetter- und Umweltbedingungen im Geländeeinsatz kontinuierlich und hochgenau misst. Andreas Güntner: „Eine derart umfassende Messung von Veränderungen in der Wasserspeicherung in der Landschaft gab es bisher nicht. Unsere Studie zeigt auf, wie Gravimeter künftig als hydrologische Messinstrumente im Gelände eingesetzt werden können.“ (ak)

Originalstudie: Güntner, A., Reich, M., Mikolaj, M., Creutzfeldt, B., Schroeder, S., and Wziontek, H., 2017. Landscape-scale water balance monitoring with an iGrav superconducting gravimeter in a field enclosure. Hydrology and Earth System Sciences 21, 3167-3182. DOI: 10.5194/hess-21-3167-2017