Erkundung des Untergrundes aus der Luft

Autonome Flugsysteme (UAV - unmanned aerial vehicles) sind selbständig agierende Flugsysteme (siehe Foto), die bestückt mit diversen Sensorsystemen in verschiedener Weise der Umweltforschung dienen. Am Toten Meer und im Rahmen des Projektes DESERVE* (Dead Sea Research Venue) geht es der Forschung um zwei zentrale Fokuspunkte: Um den Abfluss von Grundwasser, das bisher in großen Teilen weder von seiner genauen Lokation noch in seiner Quantität bekannt ist, aber entscheidend zum Budget des Toten Meeres beiträgt. Zudem geht es um die Betrachtung der Entstehung der Einsturztrichter (Erdfälle), die zunehmend die Infrastruktur und den Tourismus entlang der Küste des Toten Meeres bedrohen.

Der Fokuspunkt des Grundwasserabstroms in das Tote Meer wird dadurch untersucht, dass am UAV ein Thermalsensor montiert ist, der die Wasseroberflächentemperaturen aufnimmt. An Lokationen wo frisches Grundwasser (Dichte ~1 g/cm³) in das hoch-salinare Tote Meer (~1,24 g/cm³) strömt, erfährt es in Folge dessen einen dichtegetriebenen Aufstieg an die Wasseroberfläche. An der Wasseroberfläche bilden sich an diesen Stellen sogenannte Thermalanomalien aus. Diese entstehen durch das ganzjährig mit einer fast konstanten Temperatur von 25-28 °C zuströmende Grundwasser, das sich in den Winter- und Sommermonaten von den Temperaturen des umgebenden Toten Meeres unterscheidet (Winter: 20-22 °C – Sommer 29-34 °C). Die Thermalanomalien wurden flächendeckend mit einer räumlichen Auflösung von 5 cm kartiert und geben Aufschluss über die Anzahl und die genaue Lokation der vorhandenen Grundwasserzutritte. Die Größe der Thermalanomalien liefert zusätzlich einen Proxy (Vergleichswert) für die Menge des zutretenden Grundwassers: je mehr Grundwasser zutritt, desto größer ist die Anomalie. Hierbei besteht jedoch eine klare Abhängigkeit zur Wassertiefe, weswegen stets ein komplementärer Datensatz zur Wasserstiefe mittels eines Sonobots aufgenommen wurde.

Zukünftig geht es darum, basierend auf diesen beiden Datensätzen und der Einbindung von in-situ Untersuchungen (Messung der ausströmenden Wassermenge und hydrochemischen Parametern) mit Hilfe weiterer Tauchexpeditionen, genügend Parameter definiert zu haben, um mittels Strömungsmodellierung diese Grundwasserzuritte zu quantifizieren. Das so entwickelte Beobachtungssystem soll Aussagen über die raumzeitliche Variation der Grundwasserkomponente im Budget des Toten Meeres zulassen.

Die Entstehung von Erdfällen (Sinkholegenese) als zweiter Fokuspunkt der UAV-Applikation dient dem Prozessverständnis der Bildung dieser Einsturzstrukturen und vor allem der Prognose zukünftiger Gefährdungsgebiete und einer entsprechenden Minimierung von Schäden. Sinkholes bilden sich in Folge von Lösung salzhaltiger Schichten in Grundwasser durchströmten Gebieten im quartären Sedimentkörper entlang des Toten Meeres. Die Lösung bedingt entweder eine kontinuierliche Subsidenz (<1 m pro Jahr) oder das plötzliche Einbrechen der Oberfläche in grobklastischen Sedimentablagerungen in Wadis und im Bereich von Wadiauslässen, die Einsturzstrukturen mit Tiefen von bis zu 30 m und Durchmessern von bis zu 100 m hinterlassen. Diese vertikale Veränderung, die sich über Flächen von mehreren 1000 m² erstrecken können, werden mit dem UAV in einer Flughöhe von ca. 50 m beflogen, und mittels einer RGB-Kamera aufgenommen. Die daraus resultierenden überlappenden Einzelbilder werden automatisiert stereographisch ausgewertet, wodurch ein großflächiges 3D-Höhenmodell der Oberfläche rekonstruiert wird. Dieses Höhenmodell lässt auch kleinste Strukturen (Spannungsrisse mit eine Breite von <3 cm) und Höhendifferenzen von <4 cm sichtbar werden. Durch die wiederholten Befliegungen der gleichen Fläche war es möglich, die vertikale Veränderung über die Zeit zu detektieren und dadurch im ersten Schritt Vorzugsrichtungen und die horizontale Ausdehnung von Senkungsgebieten abzuleiten. Im zweiten Schritt fließen die raumzeitlichen 3D-Veränderungen in ein prozessbasiertes geotechnisches Modell zur Simulierung der Sinkholebildung ein, das vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) erstellt worden ist. Damit ist es möglich, Prognosen für die Zukunft zu simulieren und zu erkennen, wie schnell und wo sich neue Sinkholes bilden werden und wann daraus eine Gefahr für Tourismus, bestehende Infrastrukturen und die Landwirtschaft entsteht.