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Neues Bodenfeuchtemessverfahren auf Woche der Umwelt vorgestellt

Auf der Woche der Umwelt zeigt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) wie Bodenfeuchte durch Neutronenstrahlung gemessen werden kann.

von Sarah Hofer | 14.05.24

Neutronen aus der Atmosphäre werden je nach Feuchtigkeitsmenge im Boden in unterschiedlichem Maße reflektiert. Die reflektierten Neutronen lassen sich mit Detektoren messen, die z. B. direkt auf einem Feld stehen.

Quelle: PTB

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14. Mai 2024 | Auf der Woche der Umwelt zeigt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) wie Bodenfeuchte durch Neutronenstrahlung gemessen werden kann.

Die Bodenfeuchte beeinflusst nicht nur die Landwirtschaft, sondern spielt als integraler Bestandteil des globalen Wasserkreislaufs eine entscheidende Rolle für Wetter und Klima. Um diese Zusammenhänge besser zu verstehen, sind präzise Messdaten unerlässlich. Auf der Woche der Umwelt im Schloss Bellevue stellt die PTB ein neues Verfahren zur Bodenfeuchtemessung vor. Die Veranstaltung, zu der Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) einladen, konzentriert sich auf Projekte für eine nachhaltige Zukunft. Eine Anmeldung bis zum 15. Mai 2024 ist für die öffentliche Veranstaltung erforderlich.

Die Bedeutung der Bodenfeuchte für Klima und Umwelt

Die Bodenfeuchte ist ein integraler Bestandteil des globalen Wasserkreislaufs und spielt eine Schlüsselrolle beim Speichern von Kohlendioxid in Landökosystemen, was zur Verlangsamung der globalen Erwärmung beiträgt. Als wesentliche Klimavariablen von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) definiert, liefert die kontinuierliche Messung der Bodenfeuchte wichtige Daten für die Landwirtschaft, Klimaforschung, Klimafolgenanpassung und das Wassermanagement. Allerdings sind die unterschiedlichen Messverfahren oft 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).

Bisher werden vor allem zwei deutlich verschiedene Methoden verwendet: Bodensensoren liefern präzise Daten an bestimmten Stellen, während Satellitenmessungen große Gebiete abdecken. Ein mögliches drittes Verfahren könnte den Bereich dazwischen abdecken, um zum Beispiel den Feuchtigkeitsgehalt eines bestimmten Feldes zu bestimmen: 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.

Quelle:PTB / 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.

Ziele und Hoffnungen des SoMMet-Projekts

Das übergeordnete Ziel des SoMMet-Projekts ist es, Bodenfeuchtemessungen effektiv und metrologisch gesichert zu gestalten, sodass sie konsistent über alle Längenskalen hinweg funktionieren. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass dieses 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 kontinuierlich aus dem Weltraum auf die Erde trifft und mit der Atmosphäre interagiert, wodurch Neutronenstrahlung entsteht. Die Reflektion dieser Neutronen an der Bodenoberfläche und ihre Messung mit einem Detektor über dem Boden ermöglicht die Erfassung der mittleren Bodenfeuchte im Bereich der Wurzelzone innerhalb eines Radius von etwa 100 Metern rund um den Detektor.

„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.

Die Bedeutung der Rückführung in der Messwissenschaft

Der Begriff „Rückführung“ mag vielen unbekannt sein, ist jedoch von großer Bedeutung für das Vertrauen in Messungen. Angenommen, eine Forscherin verwendet drei verschiedene Messverfahren, um die Bodenfeuchte zu bestimmen, und erhält drei unterschiedliche Ergebnisse. Was nun? Die Ergebnisse werden erst aussagekräftig, wenn man sie mit einem gemeinsamen Standard von höchster Güte vergleicht – das ist die Rückführung. So erfährt man, wie stark die Ergebnisse der einzelnen Verfahren von denen des Standardverfahrens abweichen und kann entsprechende Korrekturen vornehmen. Erst dann sind die Ergebnisse der verschiedenen Messverfahren vergleichbar. Dieser Standard kann vielfältig sein, zum Beispiel ein einzigartiges Gerät (z. B. in der PTB), eine Standardflüssigkeit oder die Definitionen der physikalischen Einheiten im internationalen Einheitensystem (SI).

Das europäische Forschungsprojekt SoMMet (Soil Moisture Metrology) umfasst 18 Forschungseinrichtungen aus elf Ländern. Ihr Ziel ist es, die Vergleichbarkeit und Interoperabilität unterschiedlicher Messungen zu verbessern, um die bestmöglichen Informationen über die Bodenfeuchte zu erhalten. Das Projekt wird von der Europäischen Partnerschaft für Metrologie gefördert, die aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont Europa der Europäischen Union sowie von den teilnehmenden Staaten kofinanziert wird.