Forskere bruger droner til at overvåge vandstrømme i jorden

I otte år, et område i Luxembourg på omkring 300 kvadratkilometer var under særlig overvågning. Forskergrupper fra hele Europa analyserede Attertflodens afvandingsområde, droner fløj over det med termiske kameraer, og satellitter målte strålingen. I mellemtiden forskerhold var i felterne for at bestemme jordens sammensætning. Dataene blev derefter brugt til omfattende computermodelleringsberegninger. Formålet med disse bestræbelser var at løse et mysterium, der har fascineret mennesker siden begyndelsen af ​​landbruget:Hvordan flyder vand på jordens overflade og i jorden?

Dette spørgsmål er ikke kun relevant for landbruget, det er også centralt for at forstå virkningen af ​​klimaændringer eller forudsige konsekvenserne af naturkatastrofer. Fra nu af, viden er ufuldstændig, og faktorer såsom vegetation bidrager til kompleksiteten af ​​situationen. At få styr på denne kompleksitet var målet for det internationale projekt CAOS, forkortelse for Catchments as Organized Systems, som involverede forskningsgrupper fra Østrig, Tyskland og Luxembourg. En del af projektet blev udført i regi af hydrologen Karsten Schulz fra University of Natural Resources and Applied Life Sciences i Wien og finansieret af den østrigske videnskabsfond FWF. Ved at bruge nye metoder til deres undersøgelser, Wienergruppen fokuserede især på analyse af termiske billeder taget af droner og satellitter.

Ujævne data

Sådan forklarer Schulz udfordringerne med at forstå vandstrømme på jordens overflade:"Først og fremmest er der nedbør, hvilket måske er den sværeste komponent, fordi for at være helt ærlig, vi ved ikke præcis, hvor meget regn der faktisk falder." Der er jordbaserede arealradarmålinger og punktmålinger på vejrstationer, men imellem de to, meget er fortsat usikkert. "Især i den alpine region, målingerne er meget tilbøjelige til fejl, " bemærker Schulz.

Efter hans mening, måling af vandudledning, dvs. mængden af ​​vand i floder, fungerer allerede ret godt, men det er særligt vanskeligt at bestemme vandets fordampning fra Jordens overflade. "I Østrig især, der er få data tilgængelige om dette aspekt, fordi der næsten ikke er nogen målepunkter, siger Schulz.

Jordens kompleksitet og variation giver en yderligere udfordring:"Meget ofte, afstrømningen efter nedbør styres af jordens grove porøse struktur, som er bestemt, blandt andet ved regnormeaktivitet. Af denne grund, Projektet havde sin egen arbejdsgruppe, der studerede regnormegrave og forsøgte at kvantificere dem og forudsige deres struktur."

Fordampning giver kølende effekt

Attert-floden blev udvalgt, fordi dens afvandingsområde kan prale af et særligt tæt netværk af målestationer, hvilket gør det til et perfekt testområde til at forfine modeller og udvikle et så komplet billede som muligt af alle de involverede processer. Schulz og hans gruppes opgave var fjernmåling, dvs. observere processerne fra luften ved hjælp af termiske kameraer, blandt andet. "Vi tog et kig på hele systemet ved hjælp af termisk fjernmåling og karakteriserede oplandet med hensyn til dets funktioner, " forklarer Schulz.

Temperaturen på jordoverfladen gør forskerne i stand til at drage konklusioner om fordampning. Fordampningen aftager, hvor overfladetemperaturen er høj, fordi der kun er mindre vand til rådighed, og den kølende effekt af fordampningen mangler. Hvor der er vand, energien bruges til fordampning og temperaturerne er følgelig lavere.

Termiske billeder i sig selv giver ikke nok information, derfor kombinerede forskergruppen dem med konventionelle kamerabilleder. Schulz' gruppe studerede billeder fra en periode på ti år og udsatte disse data for en såkaldt principal komponentanalyse. Denne metode gør det muligt for dem at identificere de relevante strukturer i store mængder data. Målet havde været at identificere områder med lignende hydrologisk adfærd. "Vi har også brugt data fra dette område til at karakterisere og klassificere vegetationen for at kunne udlede jordegenskaber fra resultatet, " forklarer Schulz.

Sigter efter en præcis model

Sammen med resultaterne fra de andre internationale grupper, resultaterne af Schulz og hans team blev integreret i en ny vandstrømsmodel for Attert-regionen. "Vores arbejde blev brugt til at bestemme, hvilken rumlig opløsning af luftfotografering var nødvendig for at kortlægge alle relevante landskabstræk og til at bestemme, hvordan jordbundsinformation kan inkorporeres i modellen." Schulz anser den nye model afledt af grundforskningsprojektet for at være et stort skridt fremad:"Tidligere hydrologiske modeller, som dem, vi traditionelt bruger i systemer til prognose for oversvømmelse af tilstrømning, har ikke, som regel, implementeret dette samspil mellem vand og vegetation i jorden." De nye resultater letter bedre prognoser for landbruget og for konsekvenserne af oversvømmelser. Fra 2011, CAOS-projektet forløb i to faser og blev afsluttet i slutningen af ​​2019.