Bericht | „Komische Signale“ - Kristine Larson nutzt GPS-Daten um Bodenfeuchte zu bestimmen und Aschewolken zu vermessen

Prof. Kristine Larson vor ihrer "Lieblings-GPS-Station" in Marshall, Colorado (Foto: privat)

Mithilfe von GPS-Signalen können Autos, Flugzeuge und Traktoren sicher ihren Weg finden. Längst ist diese Technik im Alltag angekommen. Doch sie kann auch dazu dienen, vom Weltraum aus Feuchtigkeit im Boden oder der Vegetation zu bestimmen, und künftig vielleicht sogar helfen, Aschewolken von Vulkanen zu vermessen und damit den Flugverkehr sicherer zu machen. Eine Pionierin bei solchen neuen Anwendungen ist Kristine Larson. Sie ist Trägerin des Alexander von Humboldt-Forschungspreises, der ihr im Herbst 2016 zuerkannt wurde, und derzeit als Gastwissenschaftlerin am GFZ in der Sektion Geodätische Weltraumverfahren.

Reflektierte Wellen

Larson promovierte in Geophysik an der University of California in San Diego. Seit 1990 forscht sie an der Universität von Boulder, Colorado, in den USA und verbringt derzeit einen sechsmonatigen Forschungsaufenthalt am GFZ. Mittels der satellitengestützten Ortsbestimmung GPS (Global Positioning System) verfolgte sie beispielsweise die Bewegung von Erdplatten sowie Verformungen der Erdkruste, die im Zusammenhang mit Erdbeben auftreten. „Erdplatten bewegen sich nur mit wenigen Zentimetern pro Jahr, das war mir irgendwann zu langsam. Ich wollte etwas Schnelleres erforschen“, sagt Larson und lacht. Tatsächlich sei es so gewesen, dass die Messmethoden Ende der 1990er Jahre so weit entwickelt waren, dass sie praktisch eingesetzt werden konnten und aus technischer Sicht für die Forscherin nicht mehr reizvoll waren. Doch etwas anderes beschäftigte sie: „In den GPS-Daten, die wir im Zusammenhang mit Erdbeben erhoben haben, waren komische Signale. Wir wussten nicht, ob wir diese Signale herausfiltern können würden, aber ich wollte das unbedingt herausfinden!

Wie sich zeigte, handelte es sich um reflektierte GPS-Signale. Sie kamen nicht auf direktem Weg von den 20.200 Kilometer hoch fliegenden Satelliten zu den GPS-Antennen auf der Erde, sondern sie hatten einen „Umweg“ über den Erdboden gemacht, wo sie reflektiert wurden und sozusagen von unten die Antenne erreichten. „Das Verrückte war, dass diese reflektierten Signale sich minimal von den direkten Wellen unterschieden“, sagt Larson. „Liegt Schnee auf dem Boden, verändert sich vor allem ihre Frequenz, Bodenfeuchtigkeit führt zu einer die Phasenverschiebung und die Vegetation beeinflusst die Amplitude.

Diese Erkenntnisse nutzten Larson und ihr Team, um die Eigenschaften von Oberflächen unter den GPS-Antennen zu bestimmen – vom dürregeplagten Westen der USA bis hin zu Permafrostböden in Alaska. Diese Daten werden inzwischen für Klimamodelle genutzt oder um die Sensoren von Erdbeobachtungssatelliten zu kalibrieren. Hier in Potsdam will sie diese Forschungen fortsetzen und tauscht sich dazu aus mit Kolleginnen und Kollegen am GFZ, aber auch am benachbarten Potsdamer Teil des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) und am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK).

Aschewolken erforschen

Ein weiteres, neues Forschungsfeld sind Aschewolken von Vulkanen. Dass sie selbst auf entfernte Gebiete große Wirkung haben können, hat der Ausbruch des Eyjafjallajökull in Island im Jahr 2010 deutlich gemacht. Aufgrund der ausgeworfenen Vulkanasche kam der Flugverkehr über weiten Teilen Europas zum Erliegen. „Mit den meisten Satellitenverfahren können wir nicht durch die Wolken hindurchschauen, um sie zu genauer zu erforschen“, sagt Larson. „Aber GPS-Signale könnten uns helfen, denn diese werden ebenfalls durch die Aschewolken beeinflusst. Das erlaubt uns hoffentlich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Wolken.

Rund 1500 aktive Vulkane gibt es auf der Welt, von Italien bis nach Indonesien. Schätzungsweise 500 Millionen Menschen leben so nahe an den Feuerbergen, dass sie von einem Ausbruch beeinträchtigt werden können. Diese Vulkane und ihre Auswürfe genauer zu untersuchen, sei daher ein lohnendes Ziel, sagt Larson.

19.04.1017, Ralf Nestler