Stress von Pflanzen messen – vom Weltall aus
Der Europäische Sommer 2026 war geprägt von zu wenig Niederschlag, Hitze und Dürre. Die Natur stand unter Stress, Pflanzen wuchsen nicht weiter, ihre Fähigkeit, Kohlenstoffdioxid (CO2) aufzunehmen, war reduziert und bereits im Sommer wurden viele Blätter braun. Wie lässt sich der Zustand der Vegetation bei solchen extremen Ereignissen weltweit im grossen Massstab erfassen?
Die Antwort: mit einem Satelliten. In der Nacht zum 15. September startete die European Space Agency (ESA) ihre Fluorescence-Explorer (FLEX) Mission. Ziel ist, globale Karten der von der Vegetation emittierten Fluoreszenzstrahlung zu liefern, die in engem Zusammenhang mit dem Prozess der Pflanzenphotosynthese steht. So können neue Erkenntnisse über den Gesundheitszustand, die Funktionsfähigkeit und den Stress von Pflanzen gewonnen werden. Nicht nur der globale Kohlenstoffkreislauf und die Landwirtschaft stehen dabei im Fokus, sondern gemäss ESA auch die Ernährungssicherheit der wachsenden Weltbevölkerung.
Ein nahezu unsichtbares Lichtes messen
«Es ist methodisch sehr anspruchsvoll, dieses von den Pflanzen abgegebene Fluoreszenzsignal zu messen. Bisher hatte man gar nicht die entsprechende Sensortechnologie dafür», sagt Alexander Damm-Reiser, Professor für Remote Sensing of Water Systems an der Universität Zürich (UZH). Die Herausforderung besteht darin zu unterscheiden, wie viel des am Satelliten gemessenen Signals nur reflektiert und wie viel von den Pflanzen ausgesendet wurde: Wenn Pflanzen für ihr eigenes Wachstum CO2 aufnehmen und Sauerstoff an die Umwelt abgeben, leuchten sie immer schwach. Diese emittierte Strahlung ist für uns unsichtbar, da sie nur ein paar wenige Prozent im Vergleich zur reflektierten Sonnenstrahlung ausmacht, und sie kann nur in gewissen Wellenlängenbereichen gemessen werden. Die Stärke dieses schwachen Signals ist der Gradmesser dafür, wie photosynthetisch aktiv und gesund die Pflanze letztlich ist.
Zahlreiche Vorstudien und Anforderungsprofile
Die Messung dieses Signals und gekoppelter Pflanzenprozesse faszinierte Alexander Damm-Reiser bereits als Doktorand. Im Jahr 2007 beteiligte er sich erstmals im Rahmen eines von der ESA beauftragten, internationalen Konsortiums an Vorarbeiten zur jetzigen FLEX-Mission. Seit 2016 ist der UZH-Professor Mitglied der FLEX Mission Advisory Group. «Auf Grundlage von Vorstudien zeigten wir der ESA jeweils in den verschiedenen Projektstadien auf, dass und wie die FLEX-Mission realisierbar und erfolgreich sein kann», fasst der Geograf zusammen.
Sein Spezialgebiet ist die Fernerkundung, insbesondere die abbildende Spektroskopie, und er setzt verschiedene Sensortechnologien zur Untersuchung von terrestrischen und aquatischen Wassersystemen ein. So entwickelt Damm-Reiser mit seinem an der UZH und des Wasserforschungsinstituts Eawag angesiedelten Team Methoden zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche. Die Forschungsarbeiten seines Teams beinhalten ebenfalls die Validierung der vom Satelliten übertragenen Daten mittels eigens unterhaltener Bodenmessgeräte.
Dabei wurden beispielhaft mit Boden- und Flugzeugdaten Möglichkeiten der Fluoreszenz für die Abschätzung der Bruttoprimärproduktion oder von Pflanzenstress durch Wassermangel aufgezeigt. Auch ging Damm-Reiserr mit Forschungspartnern der Eawag neue Wege, um das Potenzial von FLEX zur Untersuchung von Seen aufzuzeigen – etwa zur Abschätzung der Phytoplanktonfluoreszenz oder der Unterscheidung von Algenarten.
Erfolg für 20 Jahre Arbeit
Mitte September kam nun das international angelegte Grossprojekt endlich zum Fliegen: FLEX startere gemeinsam mit der Copernicus-Sentinel-3-Mission in den Weltraum. «Es ist sehr spannend mitzuerleben, ob und wie die Arbeit von fast 20 Jahren fruchtet. Wir haben so viel getestet und evaluiert. Das Resultat werden wir sehen, wenn wir die erste Karte im globalen Massstab vorliegen haben», sagt Damm-Reiser.
Während dreieinhalb Jahren sollen die komplette Landoberfläche und ausgewählte Meeresbereiche einmal pro Monat mit einem Pixelraster von 300 x 300 Metern aufgenommen werden. Damm-Reiser rechnet mit mehreren spannenden Aufnahmen im Jahr für die Schweiz – je nach Wetterlage. «Wir werden dann zum Beispiel die Verteilung der CO2-Aufnahme in den Wäldern abschätzen, die Entwicklung von Dürreschäden früher erkennen oder unsere Seen noch detaillierter untersuchen können», sagt er. Mindestens drei Jahre wird es dauen, bis die gesamten Daten ausgewertet sind. Danach wird sich vielleicht entscheiden, ob die ESA oder andere Organisationen einen operationellen Satelliten ins All schicken, um die Photosynthese-Aktivitäten der Pflanzen dauerhaft zu beobachten.
