CosmicSense - Schneedynamik

Schnee stellt in vielen Regionen einen wichtigen Bestandteil des Wasserkreislaufs dar. Ein nennenswerter Teil der Weltbevölkerung ist auf Wasser angewiesen, das saisonal in der Schneedecke gespeichert ist. Aufgrund von Veränderungen durch den Klimawandel ist die Kenntnis der räumlichen und zeitlichen Verteilung der im Schnee gespeicherten Wassermenge (Wasseräquivalent der Schneedecke, SWE) besonders wichtig. Dies ermöglicht eine bessere Bewirtschaftung der Wasserressourcen und Hochwasservorhersage in von der Schneeschmelze geprägten Flusseinzugsgebieten. Zur Beschreibung des SWEs gibt es eine Reihe von Ansätzen mit spezifischen Vor- und Nachteilen, darunter In-situ-Messungen, Fernerkundung und hydrologische Modellierung. In Gebirgsregionen stellt insbesondere die räumliche Repräsentativität eine große Herausforderung dar, da Schneehöhe und SWE über kleine Entfernungen stark variieren können. Der Hauptvorteil der Methode des Cosmic-Ray Neturon Sensing (CRNS) zur Messung des SWEs besteht darin, dass das Signal Informationen über einen größeren Messbereich enthält und somit weniger sensitiv gegenüber kleinräumigen Schwankungen des SWEs ist. Vorhergehende Forschungsarbeiten konnten die generelle Eignung von CRNS für die Überwachung von Schneewasserressourcen in Bergregionen bestätigen. Derzeit bestehen noch offene Forschungsfragen hinsichtlich der räumlichen Übertragbarkeit dieser Ergebnisse. Deshalb sind Messungen an weiteren Standorten geplant, um unterschiedliche Gebietseigenschaften abzudecken und dadurch die Beschreibung des SWEs mittels CRNS-Daten zu verbessern. Die Messung in verschieden Höhen- und Klimazonen ermöglicht es unterschiedliche Schneemengen und Bedingungen innerhalb einer Messkampagne zu erfassen. Alpine Standorte in Österreich werden durch tiefer gelegene Messungen in Deutschland ergänzt. Kontinuierliche stationäre Messungen werden durch kampagnenbasierte mobile Messungen in Zusammenarbeit mit dem Modul Roving & Airborne (RA) ergänzt. Die Felddaten werden mithilfe von physikalisch basierten Simulationen der Neutronenreaktion analysiert, um einen besseren Einblick in die Nutzung von CRNS zur Schneebeobachtung an verschiedenen Standorten zu ermöglichen. Laserscanning und Fotoaufnahmen dienen der Validierung der Ergebnisse. Das Laserscanning erzeugt eine 3D-Punktwolke der schneebedeckten Geländeoberfläche. Durch die Differenz zur schneefreien sommerlichen Geländeoberfläche wird die Schneehöhe hochauflösend abgebildet. Lokale Messungen der Schneedichte ermöglichen die Umrechnung von Schneehöhenwerten in SWE. Eine Auswertung von Fotoaufnahmen ermöglicht die hochaufgelöste Abgrenzung schneebedeckter und schneefreier Flächen. Alle Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit den anderen Modulen der Forschungseinheit Cosmic Sense II durchgeführt. Insbesondere sind die Module Roving & Airborne (RA), Neutronensimulationen (NS), Hydrologische Modellierung (HG), Vegetation (VG), Smart Coverage (SC) und Root Zone Water (RZ) beteiligt.

Die Messung kosmogener Neutronen ist eine Methode zur Erfassung von Veränderungen der Schnee- und Bodenfeuchte, die auf den Restwerten der natürlich vorkommenden kosmogenen Hintergrundstrahlung basiert. Diese Messtechnik ermöglicht die Erfassung eines Signals aus einem größeren Umkreis von mehreren Hektar um den Messstandort herum und ist besonders nützlich in Gebieten mit abwechslungsreicher Landschaft, in denen die Schnee- und Bodenfeuchte auf kurzen Entfernungen stark variiert. Zudem ist der Detektor auf einem Mast über der Oberfläche angebracht, wodurch die Auswirkungen der Installation auf das umliegende Messvolumen minimiert werden. So sind Messungen auch in Bereichen möglich, in denen Bodenbeeinträchtigungen so gering wie möglich gehalten werden sollen oder in denen es aufgrund des hohen Anteils an Steinen und Felsen schwierig ist, in den Boden zu graben und einen herkömmlichen Sensor zu installieren. In Gebirgsräumen sowie in arktischen und antarktischen Gebieten treffen beide Bedingungen zu. Zudem nimmt die natürliche kosmogene Hintergrundstrahlung mit zunehmender Höhe und zunehmendem Breitengrad zu. Das Projekt konzentrierte sich daher auf die spezifischen Merkmale des Einsatzes von CRNS in Bergregionen, wobei der Schwerpunkt auf der Messung der Schneehöhe lag. Die Untersuchungen an verschiedenen Standorten in den Voralpen und den Alpen ermöglichten es, das Verständnis der Signalreaktion von CRNS auf eine Vielzahl von Standortmerkmalen, Höhenlagen und klimatischen Bedingungen zu verbessern. Dazu gehörten eine gemeinsame Feldkampagne zusammen mit anderen Modulen der Forschungseinheit am Rotmoostal in Österreich sowie Messungen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz. Die Kampagnen umfassten sowohl Messungen des Hintergrundflusses kosmischer Neutronen als auch ergänzende Daten zu Bodenfeuchte, Schneebedeckung und der Gesamtwassermenge in der Schneedecke. Weitere Messungen wurden in der Arktis (Ny Ålesund auf Spitzbergen/Norwegen) sowie an Bord des Forschungsschiffs "Polarstern" auf dessen Fahrt von Norddeutschland in die Antarktis durchgeführt. Die Auswertung der Daten ergab, dass der Zusammenhang zwischen dem CRNS-Signal und der Wassermenge im Umfeld des Detektors stark vom Standort abhängt. Eine Analyse, bei der lokal gemessene Hintergrundflüsse kosmischer Neutronen mit Fernerkundungsdaten kombiniert wurden, zeigte, wie die Standorte anhand der typischen Signalmuster und ihres Zusammenhangs mit schneefreien oder schneebedeckten Bedingungen klassifiziert werden können. Weiters konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss des Luftdrucks auf das Signal variabler ist, als in früheren Studien berichtet wurde. Die Ergebnisse tragen dazu bei, die CRNS-Technik für die Schneemessung in Gebirgsräumen einzusetzen, die Unsicherheit der abgeleiteten hydrologischen Variablen zu verringern und zu belegen, dass sie auch in arktischen Umgebungen angewendet werden kann.