SK-ZAG

In gewaltigen Strömungskanälen untersuchen Forscher, wie sich Wasser und Sediment in Flüssen, an der Küste oder in flachen Meeresgebieten verhalten. Die Ergebnisse dieser Experimente fließen in Bauvorhaben ein und ermöglichen es, die Risiken für die küstennahen Lebensräume zu erfassen. Einige Naturlabors liegen viele Kilometer tief unter der Erdoberfläche, etwa in der Kontinentalen Tiefbohrung (KTB) in der Oberpfalz oder in Bergwerken. Die KTB hat gezeigt, wie viel noch über die tiefe Erdkruste zu lernen ist. Das mechanische Verhalten der Gesteine in der Tiefe ist nicht einmal ansatzweise verstanden. Auch Erdbeben, Gas- und Wasserflüsse müssen noch weiter erforscht werden.

Um die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Teilen des Erdsystems zu verstehen, sind zum einen gezielte Experimente nötig, zum anderen müssen die Zustände und Flüsse auf unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen integriert beobachtet werden. In der Agrarforschung werden zum Beispiel Langzeitbeobachtungen an bestimmten Flächen durchgeführt. Integrierte terrestrische Beobachtungsplattformen wie zum Beispiel TERENO (www.tereno.net) erfassen Wasser-, Stoff-, und Energieflüsse in den verschiedenen Teilbereichen des Erdsystems. In den deutschen TERENO-Observatorien befinden sich modernste Messsysteme und Sensoren, zum Beispiel Bodenfeuchte-Sensornetzwerke, hochauflösende Radarsysteme oder Regenradare. Mit diesen Messungen will man erforschen, wie sich Landnutzungsänderungen und Klimawandel regional auswirken. Die Observatorien sollen Langzeitdaten gewinnen, die terrestrische Modelle verbessern.

Die Phänomene der Erdoberfläche lassen sich mit den unterschiedlichsten Messsystemen beobachten. Manche führen lokale Punktmessungen durch, andere beobachten den gesamten Planeten und registrieren verschiedenste Facetten der abgebildeten Objekte. Die Entwicklung geht in jüngster Zeit zu Geosensornetzen. Diese Netze bestehen aus einer Fülle von Sensoren, die jeweils lokale, zum Teil sehr einfache Messungen durchführen können. Sie sind in der Lage, miteinander zu kommunizieren und zu kooperieren. Durch diese Kooperation kann in der Summe eine globale Wahrnehmung erreicht werden. Die Positionierung der Geosensoren erfolgt mit verschiedenen Methoden, vorzugsweise über GPS, aber auch über WLAN, Mobilfunk oder Kameras. Das Konzept der Geosensornetze hat den großen Vorteil, dass es die Lokalität der Phänomene ausnutzen kann. Die Daten müssen nicht unbedingt zu einer zentralen Dateneinheit überspielt werden, um dort verarbeitet zu werden. So können lokal bereits Entscheidungen getroffen werden und nur wenige, relevante Informationen müssen an eine zentrale Einheit übertragen werden. Auf diese Weise kann das Gesamtsystem auf verschiedenen Skalen sehr gut überwacht werden. Geosensornetze befinden sich noch im Forschungsstadium; sie werden zum Beispiel im militärischen Bereich eingesetzt oder dienen dazu, Hangrutschungen oder lokale Temperaturfelder zu messen. GPS-Netze, die Erdbebengebiete kontinuierlich überwachen, sind ebenfalls Sensornetze.

Auch das mit deutscher Unterstützung entwickelte Tsunami-Frühwarnsystem in Indonesien kann als Geosensornetz im weiteren Sinne bezeichnet werden. Solche Systeme können die Erdsystemforschung enorm voranbringen, da prinzipiell jeder beliebige Sensor in ein solches Netz eingebaut werden kann. So kann er zusammen mit anderen Sensoren übergreifende Beobachtungen durchführen. Auch Beobachtungen von Menschen, die im Internet verbreitet werden, können in ein Sensornetz einfließen. In Geosensornetzen vermischen sich reine Messung und Auswertung zunehmend; damit können Messungen direkt mit Auswerte- und Simulationsmodellen gekoppelt werden. Die Herausforderung besteht zum einen darin, Sensoren zu entwickeln, zu integrieren und zu vernetzen, zum anderen müssen die erhobenen Daten adäquat gesammelt, zusammengefasst und gespeichert werden. Außerdem ist es nötig, Auswerteprogramme weiterzuentwickeln, in denen die Daten umfassend auf verschiedenen Skalen verarbeitet und aufbereitet werden, zum Beispiel von der einzelnen Punktmessung bis hin zu weltumspannenden Satellitenbildern.

Deutschland unterhält im In- und Ausland zahlreiche geowissenschaftliche Observatorien. Die deutschen Satellitenbeobachtungsstationen Wettzell und Potsdam bilden beispielsweise ein geodätisches Messnetz mit Empfangsantennen in den entlegensten Winkeln der Erde, zum Beispiel in Nordasien oder in der Antarktis. Außerdem gibt es magnetische Observatorien, zum Beispiel in der Wingst. Erdbebenwarten befinden sich innerhalb und außerhalb Deutschlands und sind zum Teil in internationale Abkommen zur Überwachung von Atombombentests eingebunden. In den Polargebieten ist Deutschland unter anderem durch die Neumayer-Station in der Antarktis und die Koldewey-Station in der Arktis vertreten. In Asien unterhält Deutschland vulkanologische Observatorien. Zudem werden Technologien für unbemannte, submarine Laboratorien in der Tiefsee entwickelt.

Seismische Netze, so genannte Arrays, spielen eine große Rolle dabei, Erdbeben aufzuspüren und Atombombentests international zu überwachen. Zahlreiche Erdbebenstationen registrierten die Tsunami-Katastrophe in Südostasien fast in Echtzeit. Das bewies eindrucksvoll, wie leistungsfähig das bestehende Beobachtungsnetz bereits ist. Allerdings lässt es sich noch optimieren, indem zum Beispiel der Indische Ozean und die Tiefseebecken rund um Europa zukünftig in internationale Netzwerke einbezogen werden. Geophysikalische Methoden wie Reflexionsseismik, 3-D- und 4-D-Seismik auf See haben in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt. Das ist zum einen der Informationstechnologie zu verdanken, zum anderen auch der Mineralölindustrie, die Schelfmeere und Kontinentalränder verstärkt erkundet hat.