Der Schneeschmelze auf der Spur

Case Study

Autor: Renata Barradas Gutiérrez

Infolge der vom Menschen verursachten Treibhausgas-Emissionen zeigt sich in der kanadischen Arktis eine bisher noch nie dagewesene Erwärmung. Insbesondere in der Westarktis war in den vergangenen Dekaden eine erhebliche Zunahme der oberflächennahen Bodentemperatur zu verzeichnen, die beinahe dem Doppelten des durchschnittlichen globalen Temperaturanstiegs entspricht. Dieser Erwärmungstrend hat in den regionalen Ökosystemen und den physikalischen Prozessen, die darin ablaufen, zu wesentlichen Veränderungen geführt.

Um besser zu verstehen, wie die arktische Tundra auf weitere Klimaveränderungen reagieren wird, sind Mitglieder der Forschungsgruppe Marsh Lab Trail Valley Creek (TVC) der Wilfrid Laurier University in Kanada unter der Leitung von Dr. Philip Marsh über 4.000 Kilometer gereist. Sie untersuchten die hydrologische Veränderung der kanadischen Westarktis mit GNSS-Systemen von Leica Geosystems.

Dazu wurden Daten über alle Komponenten des Wasserkreislaufs gesammelt, um prognostizieren zu können, wie sich ein weiterer Temperaturanstieg auf die lokalen und regionalen  Süßwassersysteme auswirkt. Die verwendeten Methoden waren:

  • Ausführliche Feldbeobachtungen

  • Fernerkundung

  • GNSS-Positionierung und Modellierung.

ZEIT ZUR VERMESSUNG

Die jährliche als Schnee gespeicherte Wassermenge ist der wichtigste Aspekt des Wasserkreislaufs und der größte Süßwasserlieferant für die Gewässersysteme der Arktis. Am Ende des Winters, von April bis Mitte Mai, messen die Forscher des Marsh Lab TVC die Schneehöhen und die  gespeicherte Wassermenge. Die Forschergruppe erfasst den genauen jährlichen Schneefall in den Wintermonaten, um die Kapazität des Flüssigwasserspeichers zu bestimmen und die Wassermenge zu berechnen, die dem hydrologischen System bei der Schneeschmelze zur Verfügung steht.

Um ein besseres Verständnis von der heterogenen Schneedecke der Tundra zu erlangen, machen sich die Forscher von Marsh Lab TVC zahlreiche neue Technologien zunutze:

  • Unbemannte Flugkörper (UAV)

  • Aus der Luft erfasste Daten der Schneehöhe

  • Automatische Sonden zur Erfassung der Schneehöhe

  • Experimentelle Sonden für kosmische Neutronenstrahlung.

Das Forscherteam setzt derzeit zwei GNSS-Empfänger Leica GS10 und zwei Feld-Controller CS20 ein, um Punktdaten für verschiedenste Forschungsprojekte zu erfassen. Mit der Feldsoftware Leica Captivate sammelt und organisiert das Team die Daten, während die Vermessungssoftware Leica Infinity zur Projektion und Filterung der im Feld erfassten Punkte dient, damit die Daten im korrekten Koordinatensystem gespeichert werden. Auch Auswertungssoftware für mit UAV gesammelte Daten wird verwendet.

„Unsere Arbeit im Feld hängt in hohem Maße von der Erfassung hochgenauer räumlicher Datensätze ab“, erklärt Branden Walker, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Wilfrid Laurier University. Das Forscherteam nutzte die GNSS-Empfänger Leica GS10 und Feld-Controller CS20 außerdem zur regulären Vermessung von Passpunkten sowie zur Messung topografischer Veränderungen für die Bodenvalidierung und zur Erkennung von Unterschieden in den Permafrosteigenschaften.

„Der Großteil unserer laufenden Forschungsprojekte konzentriert sich auf die Beschaffung hochpräziser und genauer GPS-Daten“, sagt Walker. „Im Vergleich zu anderen Datensätzen haben sich die mit den GNSS-Systemen von Leica Geosystems erfassten Daten als besonders robust und zuverlässig erwiesen.“


DATENSAMMLUNG VON OBEN UND UNTEN

Zu den wichtigsten Methoden für großflächige Messungen der Schneedecke zählt der experimentelle Einsatz von UAV. Zur Validierung, Georeferenzierung und Korrektur der GNSS-Daten der UAV müssen die Forscher von Marsh Lab TVC die tatsächliche Höhe von Schneedecke und Boden messen. Dazu dient ein GNSS-System von Leica Geosystems zur Erfassung von Passpunkten und UAV-Kartierungspunkten mit hoher Genauigkeit. Diese hochpräzisen Passpunkte werden anschließend in der Vermessungssoftware Leica Infinity und in einer Photogrammetrie-Software verarbeitet, um die Genauigkeit der UAV-Kartierungspunkte zu verbessern.

„Das verwendete GNSS-System von Leica Geosystems erlaubt uns die Erstellung von Passpunkten mit bekannter Position mit einer Genauigkeit von unter einem Zentimeter. Dies ist von größter Bedeutung für die Korrektur unserer mittels UAV erfassten Elevationsdaten, die von Flug zu Flug um nicht mehr als einige Zentimeter abweichen dürfen“, führt Walker aus. „Auf der Basis dieser Daten können wir Schneehöhe und gespeicherte Wassermenge mit einer bislang unerreicht hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung quantifizieren. Die Daten unseres UAV werden anhand von Passpunkten, die mit unserem Leica RTK-System erfasst wurden, ausgewertet und georeferenziert, um hochpräzise und genaue räumliche Datensätze zu erstellen.

Die Messgeräte von Leica Geosystems bilden das Rückgrat unseres Forschungsprogramms. Ihre Präzision und Genauigkeit sorgt für die räumlichen Daten, die zur Erfassung geringfügiger Abweichungen der Schneehöhe mit UAV erforderlich sind, und spart uns Zeit im Feld bei der Einrichtung und Sammlung von Datenpunkten.“


UNTERSTÜTZUNG BEI DER KARTIERUNG DER WASSERVORRÄTE DER ERDE

Die von den Forschern des Marsh Lab TVC mit den GNSS-Systemen von Leica Geosystems durchgeführten Tätigkeiten dienen auch der primären Bodenvalidierung für das Projekt AirSWOT (Air, Surface, Water & Ocean Topography) in Nordamerika, einem Element des Arctic Boreal Vulnerability  Experiments (ABoVE), einer großangelegten Studie der NASA zur Erforschung der Anfälligkeit des arktischen Ökosystems gegenüber der laufenden Klimaerwärmung. Im Rahmen der AirSWOT-Validierungsmission wird während der UAV-Flüge die Höhe des Wasserspiegels so vieler Seen wie möglich gemessen. AirSWOT ist Teil des SWOT-Projekts zur Kartierung der Wasservorräte der Erde aus dem Weltall, um herauszufinden, über wie viel Süßwasser die Erde verfügt, sowie zur Berechnung der Durchflussmenge von Flüssen und Überwachung von küstennahen Meeresströmungen.

Das AirSWOT-Phenomenology-Radar der NASA überfliegt Nordkanada und Alaska zur Messung des Wasserspiegels von Zehntausenden Gewässern mit einem Durchmesser von über 250 Metern. Für die AirSWOT-Mission steht dem Team nur ein kurzes Zeitfenster zur Erfassung der benötigten Messungen zur Verfügung. Deshalb sind schnelle, zuverlässige GNSS-Instrumente, die auch in größerer Entfernung von der Basis funktionieren, unerlässlich.

„Aufgrund der Zuverlässigkeit bei der raschen Erfassung genauer Messungen mehrere Kilometer von der Basis entfernt bin ich zuversichtlich, dass wir zur erfolgreichen Validierung der AirSWOT-Daten der NASA in der Lage sein werden“, zeigt sich Evan Wilcox, Geografie-Student an der Wilfrid Laurier University, optimistisch.


AUSBILDUNG VON FELDFORSCHERN

Marsh Lab TVC nimmt Gruppen von Wissenschaftlern aus Nordamerika und Europa auf, die sich mit den arktischen Regionen Kanadas beschäftigen. Forscher der Wilfrid Laurier University helfen regelmäßig bei der Schulung des Nachwuchses im Umgang mit den Instrumenten von Leica Geosystems.

„Da wir Teil einer universitären Forschungsgruppe sind, gehen bei uns viele Studierende ein und aus. Das einfache, intuitive Bedienkonzept der Geräte von Leica Geosystems macht es uns leicht, regelmäßig neue Bediener einzuschulen, was uns langfristig wiederum Zeit und Geld spart“, ergänzt Walker.

Die rauen klimatischen Bedingungen in der Arktis bringen viele Messsysteme an ihre Grenzen. Doch die GNSS-Empfänger und Feld-Controller von Leica Geosystems wurden eigens für den Einsatz in extremen Umgebungen konzipiert.

„Die Art unserer Tätigkeit verlangt unseren Geräten alles ab und fordert sie bis aufs Letzte“, gibt Walker zu. „Unsere Leica GNSS-Systeme haben hier schon fast alles mitgemacht, was die Arktis an schwierigen Wetterbedingungen zu bieten hat, darunter auch Temperaturen von -20° Celsius.“


GLAUBWÜRDIGE DATEN ÜBER DEN KLIMAWANDEL

Unterstützt durch die Genauigkeit und Präzision der Systeme von Leica Geosystems macht sich die Forschergruppe ein besseres Bild von den Veränderungen der Ökosysteme der arktischen Tundra infolge der durch den Klimawandel erhöhten Lufttemperaturen. Genaue, zuverlässige Daten sind erforderlich, um die komplexen Beziehungen zwischen Schneehöhe, Niederschlag, Wasserspiegel, Vegetation, Permafrost und Durchflussmengen zu verstehen und den physikalischen Prozessen auf die Spur zu kommen, die uns helfen können, künftige Veränderungen anhand mathematischer Modelle vorherzusagen.

Die generierten Forschungsdaten werden bereits von Wissenschaftlern und Studierenden unterschiedlicher Disziplinen genutzt, die an der Prüfung und Validierung neuer Verfahren zur Datenerfassung arbeiten. Die gesammelten Informationen bilden außerdem einen Beitrag zu einem langfristig angelegten Forschungsprojekt, in dessen Rahmen ein historischer Datensatz der arktischen Tundra angelegt wird.

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