Am Puls der Elemente

Wie und wo verteilen sich Niederschlagsmengen an einem Hang? Wie viel Regenwasser gelangt ins Grundwasser und in welchen Bodenschichten wird etwas davon gespeichert? Bisher konnten Hydrologen solche Daten nur lokal erheben, ohne die genauen Zusammenhänge unter der Erdoberfläche zu erfassen. Diese Informationen aber können ihnen Geophysiker liefern.

„Wasser – ob in Form von Niederschlag, Bodenfeuchte oder Grundwasser – ist bei unseren geophysikalischen Beobachtungen der Veränderungen des Erdschwerefeldes eher störend“, erklärt die Juniorprofessorin Corinna Kroner vom Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena den Grund. „Wir erfassen solche Effekte eher unfreiwillig. Aber wir hatten überlegt, dass es die Kollegen von der Hydrologie vielleicht interessieren könnte. Hydrologen können solche Schwankungen nur punktuell erfassen, während in der Beobachtung der Erdschwere diese Variationen als integrales Signal enthalten sind.“

Seit Anfang 2005 arbeitet daher das Team um Dr. Peter Krause vom Institut für Geographie gemeinsam mit den Geophysikern daran, Verfahren zur Quantifizierung dieser Einflüsse in geodynamischen Beobachtungen zu entwickeln und darüber hinaus auch den Nutzen der geophysikalischen Beobachtungen zur Validierung hydrologischer Modellierungen zu untersuchen. Das Projekt wird bisher mit rund 80.000 Euro von der DFG unterstützt.

Dank der technisch sehr hochwertigen Ausstattung des geodynamischen Breitbandobservatoriums in Moxa (ca. 30 km südlich von Jena im Thüringer Schiefergebirge) lauschen die Wissenschaftler der Erdkruste Bewegungen ab, sogar wenn diese weit entfernt z. B. durch Erdbeben verursacht wurden. Darüber hinaus erfassen sie auch Veränderungen in der Massenverteilung durch lokale meteorologische Einflüsse wie Trockenheiten, starken Niederschlag oder Schneeschmelzen in ihrem Verlauf. Dabei ist es gelungen, zusätzliche Erkenntnisse über Variationen in der räumlichen Verteilung des Wassers zu gewinnen und daraus Rückschlüsse auf die hydrologische Prozessdynamik und auf räumliche und zeitliche Änderungen der Wasserspeicherung zu ziehen.

Diese neuen Erkenntnisse wurden möglich, durch die innovative Kombination von Erdschweredaten, die mithilfe des supraleitenden Gravimeters des Observatoriums (einem von weltweit nur 20 Instrumenten) beobachtet werden und solchen, die in mühevoller Kleinarbeit mit Feldgravimetern erfasst werden. Das Verfahren ist zwar aufwändig – „zusammen mit 3-4 Studierenden und Doktoranden müssen wir dann mit den gut 12 Kilo schweren Geräten mehrmals am Tag den Berg rauf und runter – und das zwei, drei Tage am Stück“ – aber die bisherigen Ergebnisse rechtfertigen die Mühe: „Einige der internationalen Kollegen haben uns für verrückt erklärt, aber bei der Präsentation unserer Resultate der ersten zehn Kampagnen auf einer internationalen Tagung in diesem Frühjahr haben sie große Augen bekommen.“

Um die Datengrundlage noch weiter auszubauen und auch für die hydrologischen Modellierungen zu optimieren, wurden nicht nur natürliche Wetterbedingungen ausgenutzt, sondern auch Beregnungsexperimente inszeniert. So rückte die Freiwillige Feuerwehr Moxa aus, um eine markierte Fläche im Wald oberhalb des Observatoriums gezielt zu berieseln: „Die Feuerwehr hat sehr gern und sehr gut mit uns kooperiert – und die Daten, die wir bei diesem Experiment erfassen konnten, haben unsere Hypothesen nicht nur eindrucksvoll bestätigt, sondern auch neue Erkenntnisse erbracht.“

Von Bedeutung sind solche Untersuchungen über lokale hydrologische Verhältnisse nicht nur für ein besseres Verständnis hydrologischer Prozesse oder die Beobachtung von regionalen Schwankungen im Wasserhaushalt, sondern besonders für die Grundlagenforschung in der Geophysik wie in der Hydrologie: „Wir sind die Ersten, die das so systematisch angehen.“

Kontakt:
Prof. Dr. Corinna Kroner
Institut für Geowissenschaften
Burgweg 11, 07749 Jena
Tel.: 03641 / 948609
Fax: 03641 / 948662
E-Mail: corinna.kroner[at]uni-jena.de
Dr. Peter Krause
Institut für Geographie
Löbdergraben 32, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948864
Fax: 03641 / 948852
E-Mail: p.krause[at]uni-jena.de