Wie kosmische Strahlung hilft, Wasser im Boden zu messen

In dem SCHWAMMBOX-Projekt des Instituts für Ökologie und Landschaft (IÖL) unter Leitung von Prof. Dr. Kristian Förster werden Schwammflurmaßnahmen in der Landschaft aus hydrologischer Sicht begleitet, um eine Toolbox für die zukünftige Maßnahmenplanung zu entwickeln. Ein Ziel dabei ist es, Veränderungen des Bodenwasserspeichers durch Schwammflurmaßnahmen zu erfassen – mit Relevanz für den Hochwasserschutz, die Wasserversorgung in Trockenzeiten und einen naturnahen Wasserhaushalt. Das Forschungsteam setzt dabei die Technologie Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS) als innovative Messmethode ein.

Funktionsweise von CRNS

Das Weltall schickt permanent kosmische Strahlung auf die Erde. Diesen Prozess macht sich CRNS zunutze. Hochenergetische Teilchen aus dem Weltall treffen auf die Erdatmosphäre, es entsteht eine Kaskade sekundärer Teilchen, darunter schnelle Neutronen. Ein Teil dieser Neutronen erreicht die Erdoberfläche und wird in Bodennähe vor allem von Wasserstoffatomen abgebremst. 

Wasserstoff kommt in der Landschaft überwiegend in Form von Wasser vor. Gibt es im Messgebiet keine größeren Oberflächengewässer, stammt der größte Teil davon aus dem Boden. Je mehr Wasser im Boden vorhanden ist, desto stärker werden die Neutronen abgebremst und desto weniger schnelle Neutronen registriert der Sensor. Dieses Signal dient als indirektes Maß für den Bodenwassergehalt: Viele schnelle Neutronen weisen auf wenig Wasser im Boden hin, wenige schnelle Neutronen auf viel Wasser. Die Geräte messen dabei passiv Neutronen aus der natürlichen kosmischen Strahlung, senden keine Strahlung aus und sind für Menschen, Tiere und Umwelt ungefährlich.

Eingesetzte Geräte und deren Effekte

Im Projekt wird das Modell System S1 von StyX Neutronica verwendet. Jedes Gerät besteht aus einem Neutronensensor, einer Wetterstation, einem Solarpanel und einem Datenlogger zur Fernübertragung. Jede Stunde wird ein Messwert gesendet, die Daten können über ein öffentliches Dashboard verfolgt werden.

Die Sensoren erfassen, wie viel Wasser im Boden gespeichert wird und wie viel oberflächlich abfließt. Das ist sowohl für den Hochwasserschutz bei Starkregen als auch für die Wasserversorgung in Trockenzeiten entscheidend. Besonders spannend ist der Abgleich zwischen gemessener Bodenfeuchte und den Wasserständen an den drei Schwammflurmaßnahmen.

Bürgerbeteiligung entscheidend

Zur besseren Erfassung dieser Zusammenhänge ist die Unterstützung der Bevölkerung besonders wichtig. Mit der CrowdWater-App können Bürger:innen Wasserstände an Bächen eintragen und das Projekt mit wertvollen Daten unterstützen.

Mehr Informationen finden sich auf der SCHWAMMBOX-Webseite.

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