Die Erde im Blick

In unseren Untersuchungen nutzten wir Satellitendaten, um die Wassertemperatur und die Chlorophyll-a-Konzentration an der Oberfläche verschiedener, großer Seen abzuschätzen. Chlorophyll ist ein natürlicher Farbstoff, der von Lebewesen produziert wird, die Photosynthese betreiben. Im Wasser sind das zum Beispiel Algen und Cyanobakterien. Anhand der gewonnenen Daten analysierten wir, in welcher Beziehung Oberflächentemperatur (LST) und Chlorophyll-a-Gehalt zueinander stehen. Wir fanden heraus, dass die Richtung des Zusammenhangs beider Faktoren vom trophischen Zustand eines Sees abhängt, also vom Nährstoffgehalt: In phytoplanktonreichen Seen führte die Erwärmung tendenziell zu einem weiteren Anstieg von Chlorophyll-a, in phytoplanktonarmen Seen hingegen zu einem Rückgang. Nährstoffarme Seen, die auf Satellitenbildern häufig blau erscheinen, werden im Zuge der globalen Erwärmung demnach wahrscheinlich weniger produktiv. Grund ist die erwärmungsbedingte Verlängerung der stabilen, thermischen Schichtung. Wenn die Nährstoffe in den oberen Wasserschichten erschöpft sind, ist das tiefe Wasser oft die einzige verbleibende Nährstoffquelle. Durchmischen sich die Seen weniger, bleiben die oberen, lichtdurchfluteten Wasserschichten über längere Zeiträume von diesem Nährstoffdepot abgeschnitten. Dem Phytoplankton fehlen die Nährstoffe, die Algenbiomasse nimmt ab – die Seen werden noch „blauer“. In nährstoffreichen, „grünen“ Seen ist das anders: Aufgrund der Schichtung werden sie wahrscheinlich produktiver – und grüner. Dieses Phänomen folgt der Kausalkette für nährstoffreiche Seen: Höhere Temperaturen führen zu einer längeren thermischen Schichtung. Diese hat wiederum einen Sauerstoffverlust im Tiefenwasser zur Folge, was die interne Düngung aus dem Sediment begünstigt. Dadurch nimmt die Eutrophierung weiter zu und mit ihr die Algenbiomasse, die das Wasser aus der Ferne grün erscheinen lässt.

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Wir beobachten weltweit, wie sich die Wasserstände und das Abflussregime von Süßwassersystemen infolge anderer Niederschlags- und Landnutzungsmuster verändern. So reichern sich beispielsweise entlang von Flusssystemen Nährstoffe an, die zum Beispiel aus der Landwirtschaft stammen und durch Starkregenereignisse in die Gewässer gespült werden. Sie werden flussabwärts transportiert und können intensive Algenblüten auslösen. Uns interessiert, welche Rolle Seen spielen, die mit solchen Flusssystemen verbunden sind. Dazu gibt es nur sehr wenige Studien und diese basieren häufig auf Daten mit geringer zeitlicher und räumlicher Auflösung. Aus diesem Grund kommen Satellitenaufnahmen ins Spiel, denn alle zwei bis drei Tage überfliegen die Sentinel-2-Satelliten unser Untersuchungsgebiet im Norddeutschen Tiefland. Dank der hohen räumlichen als auch zeitlichen Auflösung können wir beobachten, wie sich dort Algenblüten im regionalen Kontext entwickeln und ausbreiten. Wir können zum Beispiel sehen, dass Nährstoffeinträge flussabwärts zu einer vermehrten Entwicklung von Phytoplankton führen. Wie intensiv diese Algenblüte ausfällt und wie weit und schnell sie sich entlang flussverbundener Seenketten ausbreitet, das hängt vom Abflussregime und den Merkmalen der einzelnen Seen ab, also von ihrem Volumen, ihrer Tiefe und von der Verweildauer des Wassers.

Dank neuer Technologien, wie etwa die Nutzung multi- bzw. hyperspektraler Kameras auf Satelliten oder Drohnen, können wir den Chlorophyll-a-Gehalt von Gewässern großflächig abschätzen und somit Aufschluss über die räumliche Verteilung der Phytoplanktonbiomasse in Seen erhalten. Besonders bei verbundenen Seen hilft der Vergleich dieser Fernerkundungsbilder über die Zeit, um den Signaltransport von Chlorophyll-a entlang dieser Seenketten zu verfolgen. Um Chlorophyll-a-Daten aus der Fernerkundung nutzen zu können, muss die bio-optische Modellierung für relativ kleine Gewässer angepasst werden, da die Umgebung (Wald, Wiese, Feld, Gebäude etc.), der Gewässerboden (Sedimentbeschaffenheit, Makrophytenbestand etc.) und der Nährstoffgehalt Einfluss nehmen. Dazu gehören koordinierte Probennahmen und Laboranalysen des Chlorophyll-a-Gehaltes in Kombination mit in-situ-Monitoringdaten von autarken Multiparametersonden, mit denen wir die Fernerkundungsdaten abgleichen – auch „ground-truthing“ genannt. Zusammen bilden die Methoden ein solides Gerüst zur Früherkennung potentieller Algenblüten und deren Verbreitung. Im Freiland als auch bei Großversuchen im IGB-Seelabor zeigte sich, dass der Chlorophyll-a-Gehalt aus Fernerkundungsdaten in der oberen Wasserschicht gut mit entsprechend angepassten Modellen und Algorithmen abgebildet werden kann. Doch Algen in tieferen Wasserschichten, die ein sogenanntes Tiefenchlorophyllmaxima ausbilden, können per Fernerkundung nicht erfasst werden. Unsere Forschung zielt auch darauf ab, noch genauere Informationen über die Zusammensetzung des Phytoplanktons zu erhalten. Neben Chlorophyll-a möchten wir weitere Pigmente verwenden, etwa als Indikatoren für das Auftreten von Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt. In Kombination mit Multiparameter-Netzwerken, zielgerichteter Beprobung und bildbasierter Planktonanalyse (z.B. mit FlowCam) könnte die Fernerkundung in Zukunft durchaus zur besseren Differenzierung unterschiedlicher Algengruppen beitragen und so die Früherkennung potenziell toxischer Phytoplanktonblüten verbessern. 

Insbesondere die Möglichkeiten der künstlichen Intelligenz und der Bildgebungstechnologien haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten rasant entwickelt. Während Expertinnen und Experten früher Stunden oder sogar Tage brauchten, um eine einzige Probe von Organismen im Labor zu analysieren, können wir mit neuen automatischen Videotechniken lebende Organismen in Minutenschnelle direkt in ihren komplexen Ökosystemen beobachten. Um diese Möglichkeit noch optimaler zu nutzen, entwickeln Forschungsgruppen am IGB und in der ganzen Welt automatisierte Systeme. Sie werden die Art und Weise, wie wir Vorgänge in allen Arten von Gewässern beobachten, grundlegend verändern. Sowohl in der Süßwasser- als auch in der Meeresforschung dürfte die Kombination von in-situ-Sondenmesstechnik und bildbasierten Verfahren zu einem sehr wichtigen Instrument werden, das es ermöglicht, präzise Echtzeitdaten mit Fernerkundungsdaten zu koppeln und für Vorhersagen zu nutzen. Um die Entwicklung der effektiven Überprüfung von Fernerkundungsansätzen voranzutreiben, haben wir zusammen mit vielen internationalen Kolleg*innen das IGB-Seelabor im Stechlinsee genutzt. Die ersten Ergebnisse aus dieser im Rahmen des von uns koordinierten EU-H2020-Projekts AQUACOSM initiierten Kooperation untermauern unsere Hypothese: Die Kombination dieser Techniken hat großes Potenzial, die Möglichkeiten zur Beobachtung und zum Verständnis unserer Umwelt in Zeit und Raum zu erweitern – vor allem, wenn sie sorgfältig kalibriert werden, wie wir es in unseren Mesokosmen-Experimenten tun.

Meine Kolleg*innen haben recht: Der Einsatz der Fernerkundungstechnologie für das Gewässermonitoring birgt enormes Potenzial, insbesondere durch die Einführung neuer Satellitensensoren, die zur Überwachung der Wasserqualität und -quantität eingesetzt werden können. Doch Satellitenbilder stellen uns auch vor Herausforderungen. So fehlt zum Beispiel eine geeignete Methode, um atmosphärische Einflüsse auf die Bilddaten zu bereinigen. Diese atmosphärische Korrektur ist bei Binnengewässern besonders anspruchsvoll, denn das optische Signal in der Wassersäule und auch in den umgebenden Bereichen des Gewässersystems ist komplex. Glücklicherweise gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Anstrengungen, um dieses Problem anzugehen und Standards zu definieren – etwa im Rahmen des GEO AquaWatch Netzwerks. Erst kürzlich ist es uns gelungen, eine Produktfamilienspezifikation für das aquatische Reflexionsprodukt durch das Committee on Earth Observation Satellites (CEOS) zu veröffentlichen. Dieses Dokument spezifiziert die Anforderungen an die atmosphärischen Korrekturprozessoren, um die aquatische Reflexion in den Satellitenbildern zu ermitteln. Eine weitere Herausforderung ist der Mangel an Abgleichsdaten, die für Kalibrierungs- und Validierungsaktivitäten unerlässlich sind. Deshalb ist die Zusammenarbeit zwischen Limnologie und Fernerkundung für die Entwicklung neuer Produkte so vielversprechend. Hoffnungsvoll stimmt uns auch, dass sich die Fernerkundungstechnologie ständig weiterentwickelt: Neue hyperspektrale Satellitensensoren – wie bei der im April gestarteten deutschen EnMAP-Mission (Environmental Mapping and Analysis Program) – werden uns in die Lage versetzen, noch mehr Variablen zur Wasserqualität aus dem Weltraum zu überwachen. Aufkommende Fragen und Entwicklungen diskutieren wir im Rahmen des H2020-Projekts Water-ForCE, aus dem heraus ein Fahrplan für die künftige Entwicklung von Wasserprodukten für Copernicus entstehen soll. Wir können also davon ausgehen, dass wir in naher Zukunft neue, harmonisierte und besser validierte fernerkundungsbasierte Produkte zur Überwachung von Gewässersystemen haben werden.

Uns interessiert in der Tat die Nacht und dabei vor allem das künstliche Licht. Zu viel künstliches Licht tritt als sogenannte Lichtverschmutzung auf und stört vor allem nachtaktive Tiere, hat aber auch Auswirkungen auf Pflanzen und kann ganze nächtliche Ökosysteme durcheinander bringen. Erdbeobachtungssatelliten und Messungen von Flugzeugen oder Drohnen helfen uns, das Ausmaß der Lichtverschmutzung zu quantifizieren. Nachts werden die menschlichen Spuren auf der Erde besonders einfach sichtbar. Viele kennen sicher die spektakulären Bilder der Erde bei Nacht. Es gilt: wo Menschen sind, da ist Licht. Da Menschen wiederum häufig nah an Gewässern siedeln, sind aquatische Ökosysteme stärker von Lichtverschmutzung betroffen als terrestrische. Die Nacht wurde lange nicht so intensiv erforscht wie der Tag, obwohl zu jeder Zeit die Hälfte der Erdkugel in Nacht getaucht ist. Leider sind Satellitensysteme, die nachts funktionieren, bei weitem nicht so ausgereift wie die Erdbeobachtungssysteme, die am Tage operieren. Es gibt im Prinzip nur einen Satelliten, der täglich Informationen der gesamten Erde liefert und dies nur monochromatisch im sichtbaren Spektralbereich und mit einer groben räumlichen Auflösung von 750 Metern. Mit diesem Datensatz konnten IGB-Forschende gemeinsam mit einem internationalen Team zeigen, dass die Lichtverschmutzung mit mehr als 2 Prozent pro Jahr exponentiell zunimmt. Hochaufgelöste multispektrale Daten gibt es nur sporadisch, etwa von einzelnen Städten aufgenommen von der Raumstation ISS. Diese erfordern einen erheblichen Aufwand bei der Auf- und Nachbereitung der Daten (post-processing). Wünschenswert wäre ein ausgereiftes multispektrales Satellitensystem, welches auch nachts zuverlässig hochaufgelöste und frei verfügbare Daten der gesamten Erde liefert.

Drohnen oder „unbemannte Flugsysteme“ (UAS) decken einen wichtigen Teil des Spektrums der Fernerkundungslösungen ab. Anders als Satelliten, die je nach Umlaufbahn mehrere Tage benötigen können, um die Erdoberfläche vollständig abzubilden, können Drohnen zeitlich und örtlich flexibel genutzt werden, und somit z.B. nach Ereignissen wie Starkregen viel schneller zum Einsatz kommen. Obwohl Drohnen relativ zu Satelliten oder Flugzeugen nur eine kleine Fläche pro Tag abdecken können, können sie dies in einer viel höheren Auflösung – zentimetergenau oder sogar besser. Außerdem sind leider noch viele Satellitendaten nur käuflich erhältlich, da können Drohnen eine deutlich kostengünstigere Alternative sein. Eine Herausforderung stellen Drohnen insofern dar, dass man mit ihnen sehr große Datenmengen erzeugen kann, welche dann als „big data“ mit entsprechenden Systemen gespeichert und verarbeitet werden müssen. Am IGB streben wir an, solche Daten nach den sogenannten „F.A.I.R.“ Prinzipien öffentlich zur Verfügung zu stellen, damit auch andere Wissenschaftler*innen diese weiterverwenden können und die Öffentlichkeit einen tieferen Einblick in unsere Forschung bekommt – schließlich wird ein Großteil dieser Forschung aus öffentlichen Geldern finanziert. Die Aufbereitung unserer Messdaten für eine solche Veröffentlichung erfordert einen signifikanten Organisationsaufwand, den wir am IGB zentral unterstützen möchten. Das Fliegen von Drohnen macht also nur einen kleineren Teil der Prozesskette aus. 

Im Rahmen des Leibniz-Forschungsnetzwerks möchten wir die dramatischen globalen Veränderungen besser verstehen, die durch die Zunahme der menschlichen Aktivitäten im Anthropozän entstehen. Deshalb streben wir eine ganzheitliche erdsystemare Betrachtungsweise an. Ein solides Wissen zu den Ursachen der dringlichsten, häufig menschengemachten, globalen Probleme wie Biodiversitätsverlust, Ressourcenverknappung, Erderwärmung und Wasserverfügbarkeit bedarf einer ganzheitlichen Betrachtung, die auch aktuelle sozio-ökonomische Veränderungen berücksichtigt. Indem das Netzwerk sich die unterschiedlichsten Erdkomponenten in ihrem vielfältigen Zusammenspiel anschaut, können auch Erkenntnisse zu indirekten Effekten sowie zu komplexen Rückkopplungsmechanismen menschlichen Handels gewonnen werden. Gerade der Wasserkreislauf ist ein gutes Beispiel, da sich in ihm die vielfältigen Veränderungen und Rückkopplungseffekte auf den unterschiedlichsten Raum- und Zeitskalen deutlich widerspiegeln. So führen kurzfristige Extremereignisse wie Dürren oder Überflutungen sowie langfristige Klimaveränderungen, z.B. die globale Erderwärmung, zu starken Veränderungen in der Verfügbarkeit von sauberem Trinkwasser oder genügend Wasser für Landwirtschaft und Industrie, was unsere Gesellschaften massiv und nachhaltig beeinflusst. Diese Erkenntnisse sollen in verschiedenste Modellierungsansätze einfließen, um die globalen Konsequenzen menschlichen Handelns besser abschätzen zu können. Insbesondere durch die Einbeziehung der sozio-ökonomischen Faktoren auf der Erdsystemebene sollen zudem mögliche Folgen für die verschiedenen menschlichen Gesellschaften auf der Erde identifiziert werden. Dies soll es ermöglichen, rasch Handlungsoption zu erarbeiten, damit sich die unterschiedlichsten Gesellschaften effektiv und auf vielfältige Art und Weise auf die Herausforderungen zukünftiger Veränderungen im Erdsystem einstellen können.