Hintergrund | 24.02.2012

Fernerkundung

Baum für Baum

Weiße Flecken auf der Karte zu füllen, ist der Traum eines jeden Forschers. Mit neuester Sensorentechnik geht das nun auch aus der Ferne - selbst in entlegenen Urwäldern. Wissenschaftliche Details bleiben dabei nicht auf der Strecke.
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Auch im 21. Jahrhundert gibt es noch Regionen auf der Erde, in die kein Forscher je seinen Fuß gesetzt hat: Durch die weglose Wildnis im Westen Amazoniens, die Ausläufer der peruanischen Anden oder die Foja Mountains auf Neuguinea ziehen allenfalls einige ursprüngliche Waldnomaden. Expeditionen per Boot oder Helikopter können nur stichprobenartige Eindrücke gewinnen, Artenvielfalt oder Ökologie dieser Gebiete sind praktisch noch völlig unbekannt. Hier locken also noch bedeutende Entdeckungen – wenn man nur an sie herankönnte.

Doch die moderne Technik verspricht nun zumindest etwas Abhilfe: Selbst aus der Ferne können Geowissenschaftler damit entlegene Ökosysteme bis hin zum einzelnen Baum oder Ast analysieren. "Unser Carnegie Airborne Observatory ist ein speziell ausgerüstetes Flugzeug, das über verschiedene Sensoren optische, chemische oder hydrologische Daten erfassen kann. Aus diesen erzeugen wir hoch aufgelöste, dreidimensionale Karten der Vegetation, die noch kleinste Details umfassen", beschreibt Gregory Asner von der Carnegie Institution for Science in Stanford das von ihm und seinem Team entwickelte Hightechlabor. Bis zu einer halben Million Bäume kann CAO – so der Kurzname der Technologie – pro Minute erfassen und bildlich wiedergeben.

400 000 Pulse pro Sekunde

Um diese extreme Detailtreue zu erzielen, setzt Asners Mannschaft auf eine Kombination verschiedener Messinstrumente, von denen sie einen Teil erst neu erfinden musste. Das Herzstück ihrer Anlage ist das altbekannte LiDAR-System (light detection and ranging): Es ähnelt dem bekannteren Radar, doch setzt es statt auf Funkwellen auf Laserpulse, mit denen sich zahlreiche atmosphärische Einflussgrößen wie Luftdruck und -feuchte, Temperatur oder Konzentration verschiedener Spurengase wie Methan, Stickoxide oder flüchtige Pflanzenausdünstungen erfassen lassen. 400 000 Laserpulse sendet das CAO damit pro Sekunde aus dem Flugzeug Richtung Erdboden, wo sie reflektiert und gestreut werden. Die zurückkehrenden Signale erfasst ein Detektor und berechnet aus der Laufzeit der Signale zusätzlich die Entfernung zu den abgetasteten Objekten am Boden. Je nach Flughöhe gelingen damit Aufnahmen mit einer Auflösung, die im Bereich von Dezimetern bis einem Meter liegt und so selbst die Darstellung des Unterwuchses oder der Epiphyten erlaubt.

Regenwald in Spektralfarben
  Regenwald in Spektralfarben
Mit Hilfe verschiedener Sensoren können Wissenschaftler nun aus der Luft detailgetreu auflösen, wie viel Kohlenstoff ein Ökosystem speichert. Diese Aufnahme zeigt einen Regenwald in Peru, durch den sich ein Fluss schlängelt (blau). Die Flussinseln sind nur spärlich bewachsen, während im Hochwald am Ufer die Bäume dicht an dicht stehen.

Noch etwas genauer sieht eine Neuentwicklung hin: das Airborne Taxonomic Mapping System (AToMS) – ein Spektrometer, das aus dem Jet-Propulsion-Labor der NASA stammt. Es erfasst das Lichtspektrum in seiner gesamten Bandbreite feiner als alle anderen Geräte, die bislang gebaut wurden. Insgesamt mehr als 400 verschiedene Frequenzen vom Ultraviolett bis hin zum Infrarot lassen sich damit nachweisen und so das Innere der Pflanzen analysieren. Der Detektor spürt beispielsweise die Chlorophyllkonzentrationen, den Wassergehalt oder die Menge an Phenolen, Lignin, Zellulose oder Pflanzennährelementen wie Phosphor in den Blättern und Stämmen auf. Diese Parameter sorgen dafür, dass verschiedene Pflanzenarten das einfallende Sonnenlicht unterschiedlich stark aufnehmen oder reflektieren.

Rinderweiden im Regenwald
  Rinderweiden im Regenwald

Die so gewonnenen Werte gleichen Asner und Co mit einer Datenbank ab, in der sie zuvor die chemischen und optischen Eigenschaften von mehr als 4700 Pflanzenspezies zusammengetragen haben. Über die Spektralanalyse können die Wissenschaftler damit 90 Prozent der Baumarten eines Gebiets identifizieren und wiedergeben. "Viele Menschen schauen auf den Wald und sehen nur Grün. Ich erblicke ein Kaleidoskop", so Asner. Neben der Signatur einzelner Spezies lässt sich zudem der generelle Zustand des Walds herauslesen, etwa ob er auf einem guten, weil nährstoffreichen Standort wächst. "Wir waren überrascht, wie stark sich die Kohlenstoffgehalte kleinräumig zwischen verschiedenen Waldgesellschaften unterscheiden. Auf 60 Millionen Jahre altem Untergrund enthält die Vegetation bis zu einem Viertel weniger Kohlenstoff als auf direkt danebenliegenden jüngeren und damit fruchtbareren Böden. Mit bloßem Auge sehen beide gleich aus!", erzählt der Forscher.

Ohne Vorleistung am Boden geht es nicht

Bevor sich mit CAO allerdings weiße Flecken auf der Landkarte füllen lassen, müssen die Wissenschaftler auf bekanntem Terrain in Vorleistung gehen – wie mit der Pflanzendatenbank. Botaniker sammelten dazu zigfach Proben aus den Berg- und Tieflandregenwäldern Perus, Madagaskars und anderen Weltregionen. Zu Asners Team gehören daher auch begnadete Baumkletterer, die pro Tag bis zu 75 Bäume besteigen und von dort allerlei Proben mitbringen – vom Blattwerk bis hin zu ganzen Epiphytengemeinschaften, deren Inhaltsstoffe dann im Labor chemisch und physikalisch analysiert werden. Dieses Wissen wendet das bunt gemischte Forscherteam dann auf unbekanntem Gelände an, um einen ersten groben Überblick über die dortige Artenvielfalt zu gewinnen.

In der Praxis hat sich CAO schon bewiesen: Wenn das Wetter mitspielt – ein wolkenloser Himmel ist ein Muss –, kann Asner knapp 500 Quadratkilometer pro Tag scannen. 2009 kartierte er mit einer älteren Version des CAO-Systems 4300 Quadratkilometer Regenwald in der peruanischen Provinz Madre de Dios, nun ist der gesamte Anteil des Amazonasbeckens des Landes dran. Zum Einsatz kam die Technologie zudem schon auf Madagaskar und auf Hawaii, wo sie eingeschleppte invasive Arten aufspürte, die sich massenhaft ausbreiten und den Stickstoffhaushalt des Ökosystems durcheinanderbringen.

Eines der Hauptanliegen der Wissenschaftler ist dabei vor allem die Bilanzierung des gespeicherten Kohlenstoffs in der Vegetation: Länder wie Peru, Papua-Neuguinea oder Madagaskar sind sehr interessiert daran, die jeweiligen Mengen und ihre Veränderungen im Lauf der Zeit zu kennen, da sie diese im Rahmen von REDD (Reduced Emissions from Deforestation and Degradation) zu Geld machen können. Verkürzt gesagt, bekommen waldreiche Nationen für den Schutz ihrer Regenwälder Ausgleichszahlungen von Industrieländern oder Konzernen, die große Mengen an Treibhausgasen produzieren. Damit sollen diese natürlichen Kohlenstoffsenken erhalten und die etwa bei der Brandrodung freigesetzten Emissionen reduziert werden.

"Derartige Initiativen krankten jedoch bislang immer daran, dass es keine genauen, hoch aufgelösten Methoden gab, mit denen man die Kohlenstoffmengen – und ihre Veränderungen durch Entwaldung – vor Ort zeitnah überwachen kann. Unser System kann helfen, dass REDD den Durchbruch schafft", meint Asner. In größerem Umfang getestet wurde das System ebenfalls in Madre de Dios auf einer Fläche, die der Größe der Schweiz entspricht. Bis vor wenigen Jahren war die Region praktisch komplett bewaldet, doch dann baute der Staat die Carretera Interoceánica aus: eine Fernstraße, die Brasilien mit dem Pazifik verknüpfen soll. Sie erleichterte Goldsuchern und Holzfällern den Zugang zu den Ressourcen des Gebiets, weshalb sich die Abholzung deutlich verstärkte: Die Kohlenstoffverluste steigerten sich verglichen mit dem Jahr 1999 um mehr als 60 Prozent. "Insgesamt speichern die Ökosysteme hier 395 Millionen Tonnen Kohlenstoff. Netto verliert die Provinz davon wegen der Rodungen 630 000 Tonnen pro Jahr", erläutert der Forscher aus Stanford die Ergebnisse der CAO-Flüge, mit deren Hilfe Ausgleichszahlungen zukünftig also exakt kalkuliert werden könnten.

Artenvielfalt
  Artenvielfalt
Die Spektralanalyse des von den Pflanzen reflektierten Lichts offenbart den extremen Artenreichtum dieser Regenwaldregion in Peru: Jede Spezies lässt sich anhand ihrer Spektraleigenschaften unterscheiden. Heraus kommt ein buntes Bild.

Asners Leidenschaft gehört jedoch eindeutig der Erforschung der Artenvielfalt: "Wir betrachten die Biodiversität in Ecken, die noch niemand je wissenschaftlich untersucht hat." Natürlich lassen sich mit den Flügen keine Pflanzen oder Tiere im Detail studieren oder gar erstmals beschreiben. Aber sie geben einen ersten Gesamtüberblick, was und wie viel Forscher später am Boden überhaupt erwarten können, welche Gebiete sie schwerpunktmäßig aufsuchen sollten und wo Schutzgebiete maximale Naturreichtümer bewahren müssten. Und noch etwas liegt dem Pionier besonders am Herzen: "Eines ist jetzt schon klar – die Chemie der Baumkronen ist wirklich fantastisch und wird viel zu wenig gewürdigt. Wir nutzen diese Lücke nun und bringen sie mit unserer Technik endlich auf die Karte."

© Spektrum.de
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