Die Feuchtigkeit des Bodens in arktischen Polarregionen kann hervorragend durch die Vergleiche spezieller Radarmessungen erfasst werden. Dabei zeigt sich, dass der Umfang arktischer Feuchtgebiete deutlich größer sein dürfte als bisher angenommen. Die Entwicklung dieser für zahlreiche Klimamodelle wichtigen Methode gelang dem Team eines aktuellen Projekts des Wissenschaftsfonds FWF, das sich mit Fernerkundung durch Satelliten und Permafrostböden in der Tundra befasst.

Wer bestehende Klimamodelle verfeinern und die polaren Lebensräume von Wildtieren abschätzen möchte, der muss die Ausdehnung von Feuchtgebieten in der arktischen Region kennen. Aber selbst im 21. Jahrhundert ist das anspruchsvoller als man annehmen würde. Die Unwirtlichkeit und gigantische Dimension der Landmasse macht spezielle Methoden erforderlich. Dem Team eines Projekts des Wissenschaftsfonds FWF gelang es nun, eine besonders gut auflösende Methode zu entwickeln und im "International Journal of Remote Sensing" vorzustellen.

Streugewinn

Wesentlich für die neue Methode ist der Einfluss der Vegetation und der Oberflächenstruktur auf die sogenannte Rückstreuung eines speziellen Radarsignals, das von Satelliten ausgesendet wird. Dazu Projektleiterin Annett Bartsch von der österreichischen Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG): "Wir konnten zeigen, dass im Winter die Rückstreuung dieses Signals dort besonders niedrig ist, wo es eine für Feuchtgebiete typische Vegetation gibt. Dabei erlaubt die Auflösung des Signals sogar eine Unterscheidung in unterschiedliche Grade der Feuchtigkeit. Etwas, das bisher kaum möglich war."

Bewegtes Radar

Das Radar, das für diese Messungen verwendet wurde, wird als Synthetic Aperture Radar (SAR) bezeichnet und erlaubt sogar eine zweidimensionale Geländeabbildung. "Wir konnten für unsere Analyse Daten des Envisat Satelliten der European Space Agency nutzen, die dieser in den Jahren von 2002 bis 2012 sammelte", erläutert Bartsch die Grundlage der Arbeit ihres Teams. "Die räumliche Auflösung dieser Daten beträgt dabei zwischen 120 und 1.000 Meter. Diese liegt weit über der Auflösung von bisher verfügbaren Daten zur Bestimmung arktischer Feuchtgebiete."

Winter & Sommer

Den Zusammenhang zwischen der besonders geringen Rückstreuung des Signals im Winter und der feuchtgebietstypischen Vegetation konnte das Team um Bartsch durch Vergleiche mit bekannten regionalen Landbedeckungskarten finden. Doch das Team identifizierte und lokalisierte nicht nur die niedrigsten Rückstreuungswerte der Wintermonate, sondern verglich auch Winter- mit Sommerwerten. Dazu Bartsch: "Tatsächlich zeigte sich, dass dort, wo eine besonders große Differenz zwischen diesen Werten gefunden wurde, die Bodenfeuchtigkeit auch sehr hoch war. Ein Effekt, der sogar unmittelbar durch die Feuchtigkeit - und nicht durch die Vegetation - verursacht wird." Doch obwohl diese Differenz somit viel geeigneter erschien, um Feuchtgebiete zu identifizieren, entpuppte sich die Messung der Minimalwerte der Wintermonate in der Folge als die bessere Wahl.

Forschung mit Klasse

"Eine weitere Auswertung zeigte, dass die Minimalwerte aus dem Winter sich deutlich besser mit verschiedenen Feuchtigkeitsgraden des Bodens korrelieren ließen als die Winter-Sommer-Differenz", erläutert Barbara Widhalm, eine Mitarbeiterin im Projekt. "So lassen sich bis zu drei Feuchtigkeitsklassen unterscheiden." Das ist zwar vielversprechend, doch in seiner Publikation weist das Team auch darauf hin, dass es derzeit keine großflächigen Daten gibt, die eine unabhängige Validierung der Ergebnisse erlauben. Jedoch gibt es in zahlreichen Landbedeckungskarten Hinweise auf die Bodenfeuchtigkeit, sodass diese als Referenz genutzt werden konnten, um die Aussagekraft der SAR- Messungen zu bestätigen. "Analysieren wir die Messungen des gesamten arktischen Polargebiets auf dieser Grundlage", fasst Wildhalm die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen, "dann zeigt sich, dass bis zu 30 Prozent des Landes nördlich der Baumgrenze als Feuchtgebiet zu klassifizieren sind. Bisher ging man von einem bis zu sieben Prozent aus." Die mit FWF-Unterstützung neu entwickelte Methode scheint also deutlich sensibler zu sein als bisherige und könnte so einen wesentlichen Einfluss auf zukünftige Klimamodelle und Habitat-Studien haben.

Zur Person
Annett Bartsch ist Leiterin der Fachabteilung Klimafolgen im Bereich Daten, Methoden, Modelle der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) [1] (http://www.zamg.ac.at/cms/de/aktuell) in Wien. Ihr Forschungsschwerpunkt ist die satellitenbasierte Fernerkundung von Landoberflächen im hohen Norden. Ihr gelang es, sowohl ein Hertha Firnberg- [2] (https://www.fwf.ac.at/de/forschungsfoerderung/fwf- programme/firnberg-programm/) als auch ein Elise Richter-Stipendium [3] (https://www.fwf.ac.at/de/forschungsfoerderung/fwf- programme/richter-programm/) des FWF [4] (https://www.fwf.ac.at/de/) zu erhalten und damit ihre Forschung am Department of Geodesy and Geoinformation [5] (https://geo.tuwien.ac.at/home/) der Technischen Universität Wien [6] (http://www.tuwien.ac.at) signifikant zu erweitern.

Publikation: "A novel approach for the characterization of tundra wetland regions with C-band SAR satellite data." B. Widhalm, A. Bartsch & B. Heim: International Journal of Remote Sensing 11/2015; 36(22): 5537-5556. DOI:10.1080/01431161.2015.1101505. [7] http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/01431161.2015.1101505#.V15_4Vdzb8s