Wissenschaft : Wasser ist Leben

„Zukunftsprojekt Erde“: Potsdamer Geoforscher nutzen Satelliten zur Erfassung der weltweiten Wasserspeicherung

Andreas Güntner
Elementare Bedeutung. Die Ressource Wasser wird immer kostbarer.
Elementare Bedeutung. Die Ressource Wasser wird immer kostbarer.Foto: dpa

Das Jahr 2012 ist vom Bundesforschungsministerium zum Themenjahr „Zukunftsprojekt Erde“ benannt worden. Nachhaltige Entwicklung steht im Fokus. In den PNN stellen Wissenschaftler verschiedener Potsdamer Institute ihre Arbeit dazu vor.

Wasser ist Leben. Ob für die Trinkwasserversorgung, für das Wachstum der Pflanzen, für die Lebensmittelproduktion oder für industrielle Prozesse: Wasser ist von elementarer Bedeutung für das Leben auf unserem Planeten Erde. Die künftige wirtschaftliche und soziale Entwicklung hängt in vielen Regionen von der Verfügbarkeit und der nachhaltigen Bewirtschaftung von Wasser ab. Unser Wasserbedarf wird aus den Süßwasserressourcen der Erde gedeckt – gespeichert in Oberflächengewässern wie Flüssen, Seen oder Feuchtgebieten, im Boden und im Gestein als Grundwasser, oder als Schnee und Gletschereis.

Zwischen diesen Speichern auf den Kontinenten, aber auch mit dem Ozean und der Atmosphäre steht das Wasser in einem ständigen Austausch. Vielfältige Transportprozesse bilden so den globalen Wasserkreislauf, dem die entscheidende Rolle für die Wasserressourcen auf den Kontinenten zukommt. Je nach Klimazone, Jahreszeit und naturräumlichen Gegebenheiten variiert die Wasserbilanz zwischen Niederschlag, Verdunstung, Abfluss und Speicherung. Umweltveränderungen können erhebliche Auswirkungen auf den Wasserkreislauf haben: Klimavariabilität und Klimawandel, anthropogene Eingriffe wie die Ausweitung landwirtschaftlicher Nutzflächen oder von Siedlungsgebieten, der Bau von Stauseen oder die Entnahme von Grundwasser.

Das Problem liegt nun darin, dass die Messung der Wasserspeicherung im Untergrund schwierig ist. Da das Grundwasser weltweit etwa 50 Prozent des Wasserbedarfs für Haushalte, Landwirtschaft und Industrie deckt, sind Prognosen zum Einfluss des Umweltwandels auf das Grundwasser sehr wichtig, gleichzeitig aber mit großen Unsicherheiten behaftet.

Wasser ist Masse und übt deshalb wie jeder andere Körper eine Anziehungskraft aus. Diesen Umstand machen sich Wissenschaftler am Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) zu Nutzen, um die Erkundung unserer Wasserressourcen mit neuen Verfahren zu verbessern. Ist mehr Wasser im Untergrund gespeichert, erhöht sich hier Schwerkraft um einen sehr kleinen, aber messbaren Wert. Wird hingegen Wasser von der Erdoberfläche oder vom Grundwasser entnommen verringert sich die Schwerkraft.

Dieses Prinzip nutzt das Satellitenpaar „Grace“ (Gravity Recovery and Climate Experiment) seit 2002. Die Satelliten werden über Gebieten mit unterschiedlichen Wassermengen mal stärker, mal schwächer von der Erde angezogen. Dies führt zu einer Änderung des Abstandes zwischen beiden Satelliten, der auf einige tausendstel Millimeter genau gemessen werden kann. So werden Rückschlüsse auf Massenunterschiede auf der Erde erhalten. „Grace“ ist das einzige Beobachtungssystem, das somit global vom Grundwasser bis zum Oberflächenwasser die Änderungen der kontinentalen Wasserspeicherung erfassen kann.

Erstmals konnten daher mit „Grace“ anthropogene Effekte auf große Grundwasserkörper erkannt werden. Im Nordwesten Indiens oder in Kalifornien, so zeigte sich, führt die Entnahme von Grundwasser für die Bewässerung zu einer steten Abnahme der Wasserspeicherung im Untergrund – ein Indiz für eine nicht nachhaltige Wassernutzung. Die Wasserentnahme übersteigt in diesen Regionen die Grundwasserneubildung aus Regenwasser.

Aber neben Satelliten werden von den Forschern am GFZ auch Messgeräte am Boden eingesetzt, um nach einem ähnlichen Messprinzip die Wasserressourcen direkt vor Ort zu erkunden. Diese Geräte, sogenannte Supraleitgravimeter, erfassen hochpräzise jegliche zeitliche Veränderungen der Erdschwere, die durch Änderungen der Wasserspeicherung in ihrer Umgebung verursacht werden. Gravimeter können so als Hilfsmittel zur Erkundung des Grundwassers eingesetzt werden, ohne dabei aufwendige Bohrungen durchzuführen zu müssen.

„Grace“ und Gravimeter liefern einzigartige Daten für ein umfassenderes Verständnis des Wasserkreislaufs. Forschungsarbeiten am GFZ zielen auch darauf ab, diese Daten in Computermodelle einzubinden um deren Prognosefähigkeit als Grundlage eines nachhaltigen Wassermanagements zu verbessern. Die Fortführung von Satellitenmissionen wie „Grace“ ist erforderlich, um mehrjährige zyklische Variationen und langfristige anthropogen verursachten Trends der Wasserspeicherung erfassen zu können.

Andreas Güntner ist promovierter Hydrologe und erforscht seit 2003 als Wissenschaftler in der Sektion Hydrologie des Deutschen GeoForschungsZentrums in Potsdam (GFZ) die Prozesse des Wasserkreislaufs und ihre Veränderungen.