Flüge durch Turbulenzen: Radar-Vermessung zum Regenwald

Ein zweimotoriges Forschungsflugzeug mit hochmoderner Radartechnologie kreist über dichtem Regenwald: Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) fliegen vom 01. bis zum 29. Februar im zentralafrikanischen Gabun eine Reihe von Messflügen, um den Zustand des Regenwaldes zu erfassen.

Die gewonnenen Daten sollen dabei helfen, Klimamodelle zu verbessern und die Erderwärmung besser zu verstehen. Die Ergebnisse dienen der für 2020 geplanten ESA-Satellitenmission BIOMASS und dem deutschen Missionsvorschlag Tandem-L als Referenzdaten.

Biomasse kritische Größe

Das Klimasystem der Erde ist hochkomplex und abhängig von einer Vielzahl von Faktoren. Eine hohe Ungewissheit in der globalen Zusammensetzung des Kohlenstoffs besteht derzeit (nach dem Intergovernmental Panel for Climate Change, IPCC) in der Landnutzungsänderung.

Circa ein Drittel der Landoberfläche der Welt ist mit Wald bedeckt. Da der Wald die Hälfte des gesamten gebundenen Kohlenstoffs in seiner Biomasse bindet, wirken sich Veränderungen (z.B. durch Windwurf oder Rodungen) besonders stark aus. Deshalb ist eine globale Bestandsaufnahme des Waldes sowie deren Änderung besonders entscheidend für eine genauere Bestimmung des gebundenen Kohlenstoffs. Neben den anderen Waldformen spielt der Regenwald mit seinem hohen Anteil an Vegetationsmasse eine wichtige Rolle.

Das Problem: Der Bestand an vorhandenem Regenwald ist bisher unzureichend erfasst und auch seine Veränderung, entweder durch Abholzung, aber auch durch Aufwuchs, kann bisher noch nicht regelmäßig beobachtet und quantifiziert werden. Es ist unklar, wie viel Kohlenstoff eigentlich in einem bestimmten Zeitraum gebunden bzw. wieder freigesetzt wird. Ein besseres Verständnis des Bestandes und dessen Veränderung würde die globale Kohlenstofferfassung enorm verbessern. Sie führen letztendlich zu nachhaltigeren Gegenmaßnahmen zur Erderwärmung.

Gabun besteht zu 88 Prozent aus Regenwald und ist deshalb ideal für die Messkampagne. Über dem Dschungel der zentralafrikanischen Westküste messen die Forscher des DLR-Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme die oberirdisch gebundene Biomasse der üppigen Regenwald-Vegetation. Dazu haben die Wissenschaftler das DLR-Forschungsflugzeug DO 228-212 mit moderner Radartechnologie im L- und P-Band ausgerüstet.

Radar sieht durch Baumkronen

Mit herkömmlicher Radartechnik lässt sich lediglich die oberflächliche Struktur des Regenwald-Gebiets erfassen. Das deutsche Zwillingssatellitenpaar Tandem-X beispielsweise misst die Streuung des Radarsignals an der Baumkrone – dringt aber nicht durch diese hindurch. Mit Hilfe des am DLR entwickelten flugzeuggestützten Radarsystems „F-SAR“ (SAR: „Synthetic Aperture Radar) ist es möglich, gleichzeitig in mehreren Frequenzbereichen zu messen. Die neue Radartechnik basiert auf polarimetrischer SAR-Interferometrie (Pol-InSAR). Sie ermöglicht ein breit gefächertes Messen von verschiedenen Parametern.

„Dank der sehr langwelligen Radarsignale im L- und P-Band dringen wir mit unserem Radar bis zum Waldboden vor und können so den gesamten Bereich zwischen Boden und Krone erfassen“, erklärt Prof. Irena Hajnsek, Projektleiterin der AfriSAR-Mission. Aus den gewonnenen Daten wird die Höhe des Waldes errechnet und ein vertikales 3D-Profil erstellt. „Anhand dieser Kenngrößen können wir ableiten, wie viel Kohlenstoff in der Regenwald-Biomasse gebunden ist“, so Prof. Hajnsek weiter. Mit den ausgewerteten Daten lassen sich anschließend die bestehenden Klimamodelle erheblich verbessern. Als Nebenprodukt werden dank der Kartierung des Dschungels gerodete und abgeholzte Gebiete deutlich sichtbar, was mit optischen Sensoren aufgrund der ständigen Wolkenbedeckung nur sehr schwer möglich ist.

Sechs Kilometer über dem Regenwald

Die zweimotorige Dornier DO 228-212 eignet sich durch ihre rechteckige Kabine und die großen Öffnungen im Boden besonders gut zur Installation von speziellen Kamera- und Radarsystemen. Da sie keine Druckkabine besitzt und die Messungen in 20.000 Fuß (6.100 Meter) über dem Meeresspiegel stattfinden, fliegen die Piloten mit Höhen-Atemsauerstoff. „In diesen Höhen bekommt das Gehirn schon nach kurzer Zeit nicht mehr genug Sauerstoff. Das Tragen einer Sauerstoffmaske ist deshalb Pflicht“, betont Oliver Brieger, Leiter des DLR-Forschungsflugbetriebs.

Eine der großen Herausforderungen beim Fliegen ist das Wetter. In der innertropischen Konvergenzzone, in der sich das äquatoriale Gabun befindet, sind ganztägig hochreichende Wolken mit Turbulenzen, heftige Gewitter vor allem am Abend und Dunst mit schlechter Sicht keine Seltenheit. Für die Radarmessungen auf den insgesamt 15 Messflügen muss die Maschine sehr ruhig geflogen werden, die Piloten versuchen, möglichst nicht mehr als ein bis zwei Meter vom geplanten Flugpfad abzuweichen. Diese Genauigkeit ist erforderlich, um später aus den Radardaten mehrerer paralleler Flugpfade einen tomographischen Datensatz zu erzeugen, aus dem sich später das 3D-Modell des Waldes ableiten lässt.

Die Kampagne wird in Kooperation mit der europäischen (ESA), der französischen (ONERA), der gabunischen (AGEOS) und dem amerikanischen Raumfahrtzentrum (NASA) durchgeführt. ONERA führte bereits im Juli 2015 Messflüge zur Trockenzeit durch, während das DLR und die NASA mit insgesamt drei Flugzeugen den Regenwald zur Regenzeit erforschen.

Auf den Bildern

DO228 nach einem Messflug: Die zweimotorige Turbopropeller-Maschine DO 228-212 eignet sich durch ihre rechteckige Kabine und die großen Öffnungen im Boden besonders gut zur Installation von speziellen Kamera- und Radarsystemen (Quelle: DLR CC-BY 3.0).

Radaraufnahme des F-SAR Systems über dem Pongara-Nationalpark südlich von Libreville, Gabun: Im Pongara-Nationalpark gibt es noch große Flächen unberührten Mangrovenwalds, der weiter im Landesinneren an dichten Regenwald angrenzt. Die Farbgestaltung spiegelt unterschiedliche Arten der Rückstreuung des Radarsignals wider. Werden die Signale im L-Band (23cm Wellenlänge) vorwiegend von vegetationsfreien Oberflächen (z.B. Wasser, freie Felder) reflektiert, erscheinen sie im Bild blau. Eine überwiegende zweifache Rückstreuung (z.B. an den vertikalen Mangrovenstämmen und der Wasseroberfläche) wird rot angezeigt. Und eine vorherrschend ungerichtete Rückstreuung, insbesondere aus dem Volumen der Baumkrone des Regenwalds erscheint grün (Quelle: DLR CC-BY 3.0).

Radarreflektor: Der Reflektor mit seinen drei senkrecht aufeinander stehenden Flächen sammelt die gesamte einfallende Energie und sendet sie wieder direkt in die Richtung zurück aus der sie kam – analog zu einem Katzenauge im sichtbaren Bereich. Die gesamte Energie scheint dabei direkt aus der inneren Ecke des Reflektors zu kommen. Diese hintere Ecke wurde sehr genau mit GPS vermessen. So wurde auf wenige Zentimeter genau bestimmt, ob die Radardaten geometrisch exakt sind. Eventuelle Probleme in der Hardware können sich beispielsweise in einer scheinbaren Positionsänderung widerspiegeln. Zum anderen wird die Stärke und die Phasenbeziehungen der einfallenden horizontal bzw. vertikal polarisierten Wellen ausgewertet, auch hier wieder mit dem Ziel sicherzustellen, dass die F-SAR Hardware im Flugzeug korrekt funktioniert (Quelle: DLR CC-BY 3.0).