Landvermesser am Himmel

Der Boden unter Berlin atmet. Wenn gegen Ende der Heizsaison viele Millionen Kubikmeter Erdgas in die Sandsteinschichten achthundert Meter unter dem Grunewald eingeleitet werden, hebt sich der Untergrund auf einem Gebiet von vielen Quadratkilometern um mehrere Millimeter. Im Winter, wenn das Gas gebraucht und der Erdgasspeicher entleert wird, senkt sich der Boden wieder.Diese Fluktuation, wie Wissenschaftler das kaum merkliche Auf und Ab des Bodens nennen, können Landvermesser bisher nur punktuell überwachen. Nun will ein Team von der Technischen Universität (TU) Clausthal den Vorgang aus dem All beobachten - mithilfe des deutschen Radarsatelliten Terrasar-X, der seit 2007 die Erde umkreist.Der Berliner Erdgasspeicher ist für die Forscher ein Testobjekt. "Wir wollen vor allem nachweisen, dass man derart winzige Bewegungen per Fernerkundung tatsächlich messen kann", sagt der Geologe Steffen Knospe. Er und seine Kollegen benutzen dazu ein Verfahren namens Radarinterferometrie.Radarsatelliten wie Terrasar-X oder der Esa-Satellit Envisat senden elektromagnetische Wellen mit einer Länge von wenigen Zentimetern zur Erde, die an der Oberfläche reflektiert und zum Teil zum Satelliten zurückgeworfen werden. Auf diese Weise erhalten Forscher Informationen über die Beschaffenheit der Oberfläche. Außerdem lassen sich mithilfe der Radiowellen winzige Höhenänderungen erfassen. Mit komplizierten Auswertemethoden können die Forscher ermitteln, ob sich die vom Boden reflektierten Radiowellen im Vergleich zu einer früheren Messung um Bruchteile der Wellenlänge verschoben haben.Der Berliner Erdgasspeicher ist eher durch Zufall zum Testobjekt geworden. Zum einen macht Terrasar-X auf seiner Runde um die Erde ohnehin etwa alle elf Tage eine Aufnahme von Berlin. Zum anderen sind Stadtgebiete für exakte Radarmessungen besonders geeignet. Denn Gebäude dienen den Radiowellen als feststehende Reflektoren. "In ländlichen Gebieten funktioniert das Verfahren nicht so gut, weil die Vegetation sich zwischen zwei Messungen stark verändern kann", erläutert Knospe.Bislang sei die Radarinterferometrie vor allem in der geologischen Forschung genutzt worden, sagt Uwe Sörgel vom Institut für Photogrammetrie und Geoinformation der Universität Hannover. Der Vergleich von Radarbildern vor und nach einem Erdbeben zeige zum Beispiel, wie sich die Erdkruste verformt habe. Daraus lassen sich oft Rückschlüsse auf die Vorgänge im Untergrund ziehen. So unterzog Sörgels Team die Umgebung von Bam einer Langzeitanalyse, nachdem die iranische Stadt im Jahr 2003 von einem Erdbeben verwüstet worden war. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass sich der Boden auf einem 400 Meter breiten Streifen über der Störungszone in dreieinhalb Jahren um drei Zentimeter senkte. Forscher der US-Raumfahrtbehörde Nasa schlossen daraus, dass die oberflächlich nicht sichtbare Störungszone nach dem Erdbeben langsam verheilte.Inzwischen etabliere sich die Radarinterferometrie als Routinemethode mit breitem Anwendungsspektrum, sagt Steffen Knospe. Mithilfe dieses Verfahrens untersucht der Geologe im Auftrag von Bergbau- und Mineralölfirmen Bodenveränderungen an verschiedenen Orten. "Die Unternehmen sind gesetzlich dazu verpflichtet, Höhenänderungen zu dokumentieren, die durch ihre Tätigkeit verursacht werden", sagt Knospe. Während klassische Vermessungstechniken Bodenbewegungen nur an einzelnen Punkten und meist im Abstand von mehreren Jahren ermitteln, decken Radarbilder Flächen von bis zu 10 000 Quadratkilometern ab und lassen sich im Abstand von wenigen Wochen wiederholen. Auf diese Weise können Erdölunternehmen zum Beispiel verfolgen, in welche Richtung sich in die Erde gepresstes Wasser ausbreitet, das bislang nicht abbaubare Ölreste aus dem Gestein herausspülen soll.Wie wertvoll die Informationen der Radarsatelliten sein können, belegt auch ein Projekt der TU Clausthal in der russischen Stadt Beresniki auf der Westseite des Urals. Der Boden unter der Stadt ist von Kaligruben durchzogen. Seit einem Grubenunglück 2006 laufen einige der Kavernen mit Wasser voll. Es besteht die Gefahr, dass sie einstürzen und Teile der Stadt verschlingen. "Seit zwei Jahren überwachen wir das Gebiet mit Terrasar-X", sagt der Projektleiter Wolfgang Busch von der TU Clausthal. Dadurch seien Senkungen in Gebieten entdeckt worden, wo man nicht damit gerechnet habe. "Wir konnten damit einen Beitrag zur Sicherheit der Bewohner leisten", sagt Busch.Das Ziel der niedersächsischen Forscher besteht darin, die Radarinterferometrie in Frühwarnsysteme zu integrieren, um Anzeichen für Katastrophen wie den Einsturz des Kölner Stadtarchivs im März oder den Erdrutsch von Nachterstedt im Juli rechtzeitig zu erkennen und Schlimmeres zu verhindern. Bis dahin sei es aber noch ein weiter Weg, sagt Christian Dude von der Forschungsgemeinschaft Deutsche Braunkohlen-Industrie. "Die Technik ist reizvoll, weil sie Zeit und Kosten spart - man muss schließlich keine Landvermessungstrupps mehr durchs Gelände schicken", sagt der Geologe. Für ein wirksame Früherkennung müssten die gefährdeten Gebiete jedoch ständig beobachtet werden. Dafür eignen sich Satelliten in einer Erdumlaufbahn nicht, denn sie überfliegen einen Zielort nur in mehr oder weniger langen Abständen.Zurzeit sei die Radarinterferometrie für gewerbliche Anwendungen ohnehin noch nicht zuverlässig genug, räumt auch Knospe ein. Um Veränderungen von wenigen Millimetern aufzuspüren, müsse die Datenqualität extrem hoch sein, sagt der Geologe. Die Bahn des Satelliten muss zum Beispiel auf wenige Zentimeter genau bekannt sein und darf von einer Messung zur nächsten höchstens um ein paar hundert Meter abweichen. Vermindert wird die Qualität der Daten auch dadurch, dass mitunter Wasserdampf in der Atmosphäre den Laufweg der Radiowellen verzerrt.Der größte Störfaktor aber ist die Vegetation, die sich ständig verändert. Um diese Fehlerquelle zu eliminieren, haben die Clausthaler Forscher spezielle Reflektoren aus fünfeckigen Metallblechen entwickelt. Sie sind so aufgebaut, dass sie jedes eintreffende Signal in die gleiche Richtung zurückwerfen. "Mit solchen festen Reflektoren kann man Höhenänderungen sehr zuverlässig messen", sagt Knospe.Problematisch ist zudem, dass es zurzeit nur eine Handvoll Radarsatelliten gibt, deren Aufnahmen frei verfügbar sind. Der deutsche Satellit Terrasar-X, der in öffentlich-privater Partnerschaft zwischen dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem Unternehmen EADS-Astrium entwickelt wurde, liefert derzeit weltweit die genauesten Messdaten. Eine regelmäßige Überwachung gefährdeter Gebiete findet mit ihm aber nicht statt.In zwei Jahren will die europäische Raumfahrtagentur Esa einen neuen Radarsatelliten in die Erdumlaufbahn schicken. Der künstliche Trabant namens Sentinel-1 soll alle größeren Städte und Erdbebengebiete in Europa im Abstand von weniger als zwei Wochen überfliegen. Für Forscher wie Steffen Knospe ist bis dahin noch viel zu tun: "Spätestens 2011 müssen wir die Methode so weit entwickelt haben, dass sie kommerziell nutzbar ist."Forschungsbericht zum Erdbeben im Dezember 2003 in Bam (Iran): www.nasa.gov/topics/earth/features/quake-20090304.html------------------------------Foto: Beobachtungssatelliten wie Envisat (Computergrafik) von der europäischen Weltraumagentur Esa überfliegen dieselben Orte auf der Erde immer wieder. Beim Vergleich der Messdaten erkennen Experten auch kleinste Veränderungen am Boden.