Geographie

Die Erde neu vermessen

APEX misst die Algendichte von Gewässern, aber auch den Zustand von Strassenbelägen: Mit dem an der Universität Zürich entwickelten Spektrometer lässt sich die Erde vom Flugzeug aus grossflächig erforschen.

Susanne Haller-Brem

Fernerkundung: Die Dornier DO-228 bringt das Apex-Messgerät auf 3500 Meter Höhe.  (Bild: zVg)

Natürliche Übergangszonen wie beispielsweise die alpine Waldgrenze reagieren empfindlich auf Umweltveränderungen und sind deshalb für Klimafachleute von grossem Interesse. Mit den bisherigen Methoden ist es jedoch nicht einfach, solche Grenzzonen über Jahre und Jahrzehnte zu beobachten.

Herkömmliche Feldarbeiten sind zeitaufwändig und grossflächig kaum durchzuführen. Ideal sind deshalb Methoden der Fernerkundung, im Englischen «Remote Sensing» genannt. Doch leider haben die heutigen Satellitenbilder immer noch eine ungenügende Auflösung. Das soll sich nun mit der neuen Messstation APEX, die an der Universität Zürich entwickelt wurde, ändern.

Die Abkürzung APEX steht für «Airborne Prism Experiment» und bezeichnet sowohl das ganze Projekt, als auch das neu entwickelte Instrument für die abbildende Spektrometrie. Dabei wird das von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht gemessen und die Signale in Bilder und Spektren übersetzt.

Ursprünglich für Satelliten gedacht

Die Idee für APEX hatte der Zürcher Geographie-Professor Klaus Itten bereits 1991. Im darauf folgenden Jahrzehnt wurde das neue Spektrometer von einem interdisziplinären Team der «Remote Sensing Laboratories» (RSL) am Geographischen Institut entwickelt. «Anfangs wollte man sofort ein Instrument für zukünftige Satelliten bauen», erzählt Michael Schaepman, der Leiter der RSL.

Doch schnell wurde klar, dass die Messungen in einem ersten Schritt vom Flugzeug aus gemacht werden müssen. Denn das Übermitteln gigantischer Datenmengen ist von Satelliten aus immer noch zu stark limitiert.

2002 war klar, mit welchen technischen Komponenten das Messgerät ausgestattet sein muss, um die Bedürfnisse der Ökologen, Schneeforscher, Limnologen und Geologen abzudecken. Den Bau von APEX haben die Zürcher Fernerkundungsfachleute dann an ein Schweizerisch-Belgisches Industriekonsortium ausgelagert. Finanziert wurde das ganze von der Europäischen Weltraumbehörde ESA.

Multitalent: APEX ist viel leistungsfähiger als alle bisherigen Spektrometer.  (Bild: zVg)

Fliegen, bis die Harddisk voll ist

Diesen Sommer war es dann endlich soweit – vom deutschen Flughafen Oberpfaffenhofen aus ging die Messplattform auf den ersten Erkundungsflug. «Nach der Kalibrierung im Labor hat APEX bei strahlend schönem Wetter bewiesen, dass es für den forschungsmässigen Einsatz bereit ist», sagt Michael Schaepman sichtlich stolz. APEX misst mit 334 Kanälen gleichzeitig die reflektierte Strahlung im sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich (Wellenlängen zwischen 400 und 2500 Nanometer).

Damit lässt sich alles festhalten, was mit Sonnenlicht interferiert – also Vegetation, Böden, Gewässer, Schnee und Luft. Die räumliche Auflösung liegt bei zwei bis fünf Metern. Herkömmliche Umweltsatelliten erreichen lediglich rund 300 Meter. «Unser neues Instrument nutzt ein bekanntes Prinzip, ist aber viel leistungsfähiger als alle bisherigen Spektrometer», erklärt der Forscher.

Geflogen wird, bis die Harddisks voll sind – das ist nach mehreren Flugstunden der Fall. Damit können einige hundert Quadratkilometer mit einer räumlichen Auflösung von fünf Metern problemlos abgedeckt werden. Besonders gut messbar ist die Interaktion von Licht mit Chlorophyll in Pflanzen. Überfliegt man mit APEX Grasland, Laub- oder Nadelwald, ergeben sich unterschiedliche Signale.

Pflanzenarten erkennen

Über die gemessenen Signale können die Wissenschaftler auf die Zusammensetzung und den Zustand der Vegetation schliessen. Sogar einzelne Pflanzenarten lassen sich bestimmen. Allerdings nur, wenn sie flächendominant sind, das heisst, im Minimum 20 Prozent der Fläche einnehmen.

Mit APEX lässt sich zum Beispiel die Frage beantworten, ob die Waldgrenze in den Alpen künftig ansteigt und sich die Pflanzenzusammensetzung in und oberhalb der Gebirgswälder ändert.

Doch APEX ist nicht nur im Bereich der Land- und Forstwirtschaft, Ökologie, Limnologie und Geologie interessant. Auch die Materialwissenschaften können davon profitieren. Anhand der ermittelten Spektraldaten lässt sich etwa genau sagen, welche Ziegeldächer und welche Strassenbeläge in einem guten Zustand sind, und welche saniert werden müssen. Michael Schaepman will möglichst viele Wissenschafter und Wissenschafterinnen motivieren, von den Flügen mit APEX zu profitieren.

Hinweis Heute Donnerstag, 17. September, 21.00 Uhr, sendet «Einstein», das Wissensmagazin von SF DRS, einen Beitrag über das Spektrometer APEX.

Susanne Haller-Brem ist freischaffende Journalistin.

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