Die Erde ist vielleicht der “Blaue Planet”, mit mehr als 70 Prozent ihrer Oberfläche ist sie mit Wasser bedeckt, aber sie ist immer noch ein durstiger Planet mit stark nachgefragtem Süßwasser. Der bedeutendste Faktor für die Wasserversorgung ist die Bewässerung von Kulturpflanzen, die bei fast zwei Dritteln der oberirdischen Süßwasserentnahmen in den USA durch einige Maßnahmen berücksichtigt wird.
Den Überblick darüber zu behalten, wie viel Wasser genutzt wird – und dafür zu sorgen, dass es effizient und legal genutzt wird, wo und wann es benötigt wird -, ist über Millionen Hektar Ackerland keine leichte Aufgabe.
Forscher, die mit Daten der Landsat Earth-Beobachtungssatelliten bewaffnet waren, haben sich kürzlich mit Google zusammengetan, um es viel einfacher zu machen. Die Forscher von der University of Idaho, der University of Nebraska und dem Desert Research Institute verwenden die Satellitenbilder, um die Evapotranspiration zu kartieren – Wasser, das aus dem Boden verdunstet oder aus den Pflanzen austritt.
Die Evapotranspirationswerte sind eine Möglichkeit, abzuschätzen, wie viel Wasser die Pflanzen verbrauchen. Ein Teil des Wasserdampfes kommt direkt aus dem Boden, aber ein großer Teil gelangt zuerst durch die Pflanze. “Das ist ein notwendiger Prozess”, erklärt Richard Allen, Professor für Wasserressourcen in der Universität von Idaho, “weil es der Wasserfluss aus dem Boden ist, der die Nährstoffe transportiert, die die Pflanze braucht.”
Um diesen Prozess in Gang zu halten, benötigt das Gebiet Wasser, entweder durch Regen oder häufig durch Bewässerung. “Verdunstung und Transpiration zusammen repräsentieren den Gesamtverbrauch der Ressource”, sagt Allen. Und weil sowohl Verdunstung als auch Transpiration Energie verbrauchen, haben sie eine kühlende Wirkung, genauso wie das Schwitzen die Haut einer Person kühlt.
Wenn Landwirte die tatsächlichen Evapotranspirationsniveaus mit einem erwarteten oder idealen Niveau vergleichen könnten, hätten sie eine bessere Vorstellung davon, ob sie ausreichend bewässern oder überschwemmen. Sie könnten auch die Evapotranspirationsniveaus über dem Feld betrachten, um sicherzustellen, dass sie von ihren Sprinklern gleichmäßig abgedeckt werden – nicht um einige Stellen unter Wasser zu setzen oder andere zu überschwemmen.
Die NASA brachte im Juli 1972 den ersten Landsat-Satelliten auf den Markt, und seither liefert das Programm unter der Leitung des US-Geological Survey (USGS) kontinuierliche Bilder der Erdoberfläche. Die letzte Iteration, Landsat 8, wurde im Februar 2013 in den Orbit geschickt und produziert alle 16 Tage hochauflösende Bilder des gesamten Planeten. Mit Hilfe von Landsat 7, das noch in Betrieb ist, ist die volle Abdeckung alle acht Tage verfügbar. Beide Satelliten tragen eine Wärmebildkamera, die Bilder im Infrarotbereich erfasst, die wärmere und kühlere Stellen auf der Erdoberfläche zeigen.
Technologietransfer
Allen nutzt Landsat-Daten, um die Evapotranspiration seit etwa 1999 zu untersuchen, als er zum ersten Mal von der Abteilung für Wasserressourcen in Idaho angesprochen wurde, die von der NASA über die Raytheon Corporation eine breitere Nutzung für die Satellitendaten erhalten hatte. Allen war kürzlich auf einer Konferenz in Europa, wo unter anderem ein niederländischer Forscher namens Wim Bastiaanssen Informationen über die Verwendung von Evapotranspirations-Mapping zur Verbesserung des Wassermanagements präsentierte.
Bastiaanssen hatte ein Modell namens Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) entwickelt, das Allen in Idaho anpassen und anwenden konnte. “Nach etwa drei bis vier Jahren haben wir angefangen, SEBAL so zu entwickeln, dass es zu unserer Verwendung im Westen passt. Wir haben es METRIC genannt und entwickeln es seitdem weiter “, sagt Allen. METRIC, Abkürzung für Mapping Evapotranspiration mit Internalized Calibration, erforderte das Herunterladen der riesigen Landsat-Bilder auf einen Desktop-Computer und deren Kalibrierung mit Wetterstationsdaten und anderen Details – nicht etwas, das ohne Training, Zugang zu leistungsfähigen Computern und Zeit.
Als die in Mountain View, Kalifornien, ansässige Firma Google 2010 Google Earth Engine vorstellte, sahen Allen und seine Mitarbeiter eine Chance. Die Cloud-Computing-Plattform nutzt Landsat-Daten, die USGS kostenlos verteilt hat, und macht den riesigen Informationsschatz weltweit zugänglich. “Was die Earth Engine tun kann, ist eine Menge Grunzarbeit, nur Daten herunterzuladen und zu speichern. Das kann für jeden Forscher viel Zeit in Anspruch nehmen “, erklärt Tyler Erickson, der Anwalt von Google Earth Engine.
Allen, zusammen mit Ayse Kilic von der University of Nebraska und Justin Huntington vom Desert Research Institute, leitete mit Unterstützung von Googles Team die Bemühungen, den METRIC-Algorithmus so zu modifizieren, dass er mit Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux) funktioniert. Jetzt kann jeder, der Zugang zum Internet hat, auf die Landsat-Daten zugreifen, einen Ort auswählen und innerhalb von Sekunden eine Evapotranspirationskarte sehen.
Leistungen
“Wir freuen uns sehr, dass sie eine Bewerbung einreichen, die ein breiteres Netz von Nutzern erreichen wird, anstatt nur eine eigene Forschungsgruppe”, schwärmt Erickson. Zu den frühen Nutzern von EEFlux gehören die kalifornische Wasserbehörde, das kalifornische Wasserkontrollamt und die Weltbank. Die Forscher erwarten, dass der Einsatz des Programms weiter ausgedehnt wird, wenn das Programm den Beta-Test abschließt. Sie arbeiten auch noch an der Anwendung, um die Lücken zwischen den Satelliten-Schnappschüssen zu füllen und den gesamten Wasserverbrauch während einer Wachstumssaison widerzuspiegeln, sagt Allen. Das ist etwas, was er mit METRIC machen kann, aber es wurde noch nicht an Earth Engine angepasst. Das Programm ist besonders nützlich für “Gruppen von Wassernutzern, die die Wasserressourcen als Einheit verwalten müssen, weil sie Grundwasserpumpen beeinflussen”, erklärt er.
“Sie müssen wissen, wer pumpt, ist es nachhaltig? Was werden wir tun, um die Extraktion in Einklang mit nachhaltiger Energiegewinnung zu bringen? ” Und wenn die Wasserwirtschaftsbehörden Pläne zur Verbesserung der Bewässerungseffizienz erstellen oder die vorgeschlagenen Übertragungen von Wasserrechten zwischen Landwirten und Städten evaluieren, benötigen sie auch Daten. “Sie haben oft Fragen wie:” Wie viel Wasser wird tatsächlich gespeichert? “Und” Nutzt die neue Ernte mehr oder weniger Wasser als in der Vergangenheit verbraucht wurde? “Erklärt Huntington. “Mit METRIC- und EEFlux-Anwendungen können detaillierte Antworten schnell erhalten werden.”Der Algorithmus ist auch hilfreich, um auf frühe Anzeichen von Trockenheit aufmerksam zu machen, bemerkt Kilic.
Früher würden Wasserbeobachtungsgruppen anhand von Vegetationsindizes, die auf die Gesundheit von Pflanzen schließen lassen, Anzeichen einer Dürre erkennen. “Aber das fängt die Dürre nicht sofort an”, sagt sie. “Wir bevorzugen einen Evapotranspirations- oder ET-Dürre-Index, der satellitengestützt ist, und er nimmt diese Dürre-Signatur sofort auf.”Allen erklärt: “Dieses Feld mag zwar immer noch grün aussehen, aber wenn es gestresst ist, weil der Boden trocken ist, wird es seinen ET reduzieren und seinen Ertrag reduzieren.” Neben den Wasserwirtschaftsämtern fügt er hinzu: “Wir wollen dies in die Hände der einzelnen Landwirte bringen.””Sie machen bereits Präzisionslandwirtschaft”, sagt Kilic, besonders in Staaten mit begrenzter Wasserversorgung, die sorgfältig auswählen, wie man Felder am besten bewässert. “Nun sagen wir, es gibt einen niedrigeren Ertrag in einem Teil des Feldes, was ist die Ursache? Liegt es an den Bewässerungspraktiken? Sie können das von ihrer Wasserverbrauchkarte sehen. Mit diesen Daten können sie das Problem sofort erkennen.
Gegenwärtig besteht der Hauptweg für die Erfassung von Informationen zum Wasserverbrauch in großen Farmen darin, Drohnen in die Luft zu schicken, um Bilder zu machen, sagt sie. Ein kostenloses, webbasiertes System, das Satellitendaten nutzt, spart viel Geld, entweder für das Unternehmen, das diese Informationen auf Beraterbasis für die Landwirte oder für die Landwirte selbst bereitstellt. Ohne die Infrarot-Wärmebilder der Satelliten, die die NASA in den Orbit gebracht hat, wäre nichts davon möglich gewesen, was, wie Allen feststellt, fast gar nicht passierte, weil die Pläne für Landsat 8 zunächst keine Wärmebildkamera enthielten. “Die Wasserressourcengemeinschaften in den gesamten Vereinigten Staaten, besonders in den bewässerten Gebieten, sind sehr dankbar, dass die NASA die Wärmebildkamera auf Landsat 8 gesetzt hat und dass zukünftige Landsats garantiert eine Wärmebildkamera enthalten”, sagt er.
Herausgeber: Loura Hall
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