Alarmstufe Rot

Das Leuchten im Kiefernwald wird mithilfe von Spektrometern und Sensoren ermittelt. Diese Geräte messen die verschiedenen Rottöne des Lichtspektrums, also die Wellenlängen der Chlorophyllfluoreszenz, in besonders hoher Auflösung. Dabei erfassen sie sowohl das einfallende Sonnenlicht als auch jenes, das von den Nadeln zurückkommt. Über den Vergleich dieser Daten lässt sich die Chlorophyllfluoreszenz herausrechnen.

Die Messinstrumente und Auswertungsmethoden wurden unter anderem am Forschungszentrum Jülich entwickelt. Dort untersucht die Arbeitsgruppe um Uwe Rascher, welche weiteren Informationen im roten Leuchten stecken. „Spannend wird es, wenn die Photosynthese nicht richtig gut läuft, wenn die Pflanzen gestresst sind, also nicht genügend Wasser haben oder nicht genügend Nährstoffe. Dann steigt dieses rote Leuchten an und wird intensiver“, sagt Rascher. Die Pflanzen versuchen, den Stress mit verschiedenen Mechanismen zu mindern und sich anzupassen. Dadurch schwankt das Fluoreszenzsignal, und die Anteile der verschiedenen Wellenlängen des roten Lichts ändern sich. „Diese Änderungen sind charakteristisch für die Art des Stresses. Sie verraten uns, was genau den Pflanzen zu schaffen macht, ob es zum Beispiel zu trocken ist, zu heiß oder zu kalt, ob Nährstoffe fehlen oder Schädlinge angreifen.“

Dass dies auch in der Praxis funktioniert, hat das Team mit Messungen von einem Flugzeug aus gezeigt, in Zusammenarbeit mit Partnern aus ganz Europa. „Wir konnten zum Beispiel den starken Hitze- und Trockenstress verschiedener Wälder in den Hitzesommern 2015, 2017 und 2018 in unseren Messdaten sehen, schon bevor Schäden an den Bäumen sichtbar wurden“, berichtet Rascher. Und bei Flügen über einem Weizenfeld während dieses Sommers in Italien zeigten sich auf einem Feldabschnitt, auf dem die Forschenden die künstliche Bewässerung absichtlich abgestellt hatten, schon nach drei Tagen erste Anzeichen von Trockenstress im Fluoreszenzsignal. „Äußere Anzeichen wie welke Blätter, die ein Landwirt üblicherweise sehen würde, gab es erst nach sechs Tagen.“

Montierte Messgeräte

Von dieser Art Frühdiagnose könnten in Zukunft auch Landwirte profitieren und Problemzonen auf ihren Äckern rechtzeitig und gezielt behandeln. Allerdings fehlt dafür noch ein alltagstaugliches Messgerät. Die Jülicher Wissenschaftler konnten das rund 150 Kilogramm schwere Messgerät aus dem Forschungsflugzeug schon auf rund zehn Kilogramm abspecken und in einer Kunststoffkiste vom Format eines größeren Reisekoffers unterbringen. Den Prototyp haben sie an eine Art Dreirad montiert oder an einen kleinwagengroßen Roboter oder an ein Fahrzeug mit Ausleger, um das Leuchten von Testfeldern in Arizona und am Campus Klein-Altendorf der Universität Bonn aufzunehmen. „Im Grund wäre es auch kein Problem, die Box an einen Trecker anzubringen. Aber zurzeit setzen wir mehr auf Genauigkeit als auf Schnelligkeit, und dafür müssen wir über jedem Messpunkt ein, zwei Sekunden ausharren“, räumt Rascher ein. Das funktioniere mit einem wackelnden Trecker nicht so gut. Das Problem könne aber über eine selbststabilisierende Aufhängung, ein sogenanntes Gimbal, gelöst werden.

Die Ackerkontrolle wäre auch von Drohnen aus möglich. Dafür müssten die Messgeräte aber noch kleiner und leichter werden. Ein Team der niederländischen Wageningen University präsentierte kürzlich im Fachblatt International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation ein nach eigenen Angaben besonders leichtes und kostengünstiges Punktspektrometer, das bei ersten Flügen mit einer Drohne erfolgreich Fluoreszenzdaten gesammelt hat. Weil aber selbst gut austarierte Drohnen in der Luft ein wenig schwanken, gelingt die örtliche Zuordnung der Messpunkte noch nicht zufriedenstellend. Das Team will dieses Manko durch ausgefeilte Flugmanöver und mit Gimbals beheben.

Die Forschenden aus Jülich arbeiten außerdem an einem drohnenkompatiblen Kamerasystem. „Die Grundidee, Fluoreszenz mit einer Kamera einzufangen, ist nicht neu“, sagt Rascher. Man brauche dafür im Grunde nur zwei Filter, einen außerhalb des Wellenlängenbereichs der Chlorophyllfluoreszenz und einen innerhalb. Allerdings schleichen sich beim Lichtgang durchs Linsensystem gewöhnlicher Kameras Fehler ein, die eine Interpretation der Fluoreszenz erschweren. „Dieses Problem haben wir jetzt optisch gelöst. Wie, darf ich noch nicht verraten.“ Eine Studie dazu liegt zurzeit beim Fachmagazin IEEE Sensors zur Begutachtung vor.

Satellit zur Fluoreszenz-Erkundung

Um globale Daten zum Zustand von Feldern, Wiesen und Wäldern zu gewinnen, geht es bald noch deutlich höher hinaus als mit Drohnen oder Forschungsflugzeugen. Läuft alles nach Plan, startet spätestens Anfang 2026 der Satellit Fluorescence Explorer (FLEX) der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA. Aus dem All soll er das irdische Pflanzenleuchten mit einer Auflösung von 300 mal 300 Metern aufnehmen. Es ist die weltweit erste Satellitenmission, die eigens auf die Messung von Chlorophyllfluoreszenz ausgelegt ist und für hiesige Breitengrade alle paar Tage aktuelle Fluoreszenzkarten liefern wird. „Der Satellit hat zwei Spektrometer an Bord und wird etwa zehn Sekunden vor dem schon operationellen Copernicus-Satelliten Sentinel-3 die Erde umkreisen, der zusätzliche Daten für die Interpretation der Messungen liefert“, erklärt der wissenschaftliche Leiter der Mission, Matthias Drusch. Dieser Tandemflug muss fein abgestimmt werden und ist, wie das neuartige, aus den beiden Spektrometern und einem Teleskop bestehende Messgerät, eine Premiere.

„Wir gehen davon aus, dass wir mit den Daten aus den FLEX-Messungen um einige Wochen oder Monate früher als bisher verstehen, wann und wo auf der Erde die Vegetation nicht in ihrem optimalen Zustand ist“, sagt Rascher. Dabei sei es „reines Glück“, dass sich das recht schwache Fluoreszenzsignal der Pflanzen aus etwa 800 Kilometer Entfernung zur Erde überhaupt messen lässt. Es funktioniert, weil der Sauerstoff in der Atmosphäre das Sonnenlicht im gleichen Wellenlängenbereich schluckt, in dem die Pflanzen fluoreszieren. „Nur weil durch die Lichtabsorption des Sauerstoffs weniger Licht auf der Erde ankommt und deshalb insgesamt auch weniger von der Erdoberfläche zurückgespiegelt wird, lässt sich das rote Leuchten mathematisch vom reflektierten Licht trennen“, erklärt der Forscher.

Zwar stehen schon heute Fluoreszenzdaten aus dem All zur Verfügung. Sie stammen aber von Satellitenmissionen, die eigentlich eine andere Bestimmung haben und zum Beispiel den Kohlendioxid- oder Schadstoffgehalt der Atmosphäre messen. Die Auflösung liegt lediglich im Kilometerbereich, und die Daten werden für aussagekräftige Ergebnisse über einen Monat gemittelt. Andere Satelliten wiederum, die räumlich und zeitlich besser aufgelöste sogenannte Vegetationsindizes ermitteln und damit im Grunde messen, wie grün die Vegetation ist, lassen nur bedingt Rückschlüsse auf die Photosyntheseaktivitäten zu. Nadelwälder zum Beispiel sind auch im Winter grün, trotz gebremsten Wachstums. Zudem können Schnee und Schatten die Messungen beeinträchtigen.

Modelle optimieren

Bis sich die Fluoreszenzmessungen als praxistaugliche Alternative etabliert haben, aussagekräftige CO2-Bilanzen über satellitengestützte Messungen ermöglichen und am Boden detaillierte Stressdiagnosen, womöglich auch zur Art eines Schädlingsbefalls Auskunft geben, ist noch Geduld gefragt. Zuvor gilt es, noch mehr Daten zu sammeln und die mathematischen Modelle zu verfeinern. „Zum Beispiel haben ein Eichenwald, ein Zuckerrübenfeld und ein Sportplatz ganz unterschiedliche Strukturen und liefern deshalb auch andere Signale“, erklärt Rascher. Dieser Effekt müsse bei der Interpretation der Daten berücksichtigt und in die Modelle eingebunden werden.

In Innsbruck will das Team um Georg Wohlfahrt künftig noch besser verstehen, wie sich die Messergebnisse an den Kiefernadeln, über den Baumkronen und aus dem All ineinander überführen lassen. „Das ist ziemlich komplex. Allein schon das Signal über einer Baumkrone ist nicht identisch mit der Summe der emittierten Strahlung aus allen Nadeln oder Blättern“, sagt der Forscher. Ein Teil der Fluoreszenz eines Blatts wird von den Blättern darüber und darunter reflektiert, ein anderer Teil durchgelassen und ein dritter geschluckt. Und für die Messungen vom Satelliten aus müssen zusätzlich die Effekte jener Gasmoleküle in der Atmosphäre herausgerechnet werde, die ebenfalls Teile der Fluoreszenzstrahlung absorbieren oder streuen können.

Nicht zuletzt sei für den Erfolg eine koordinierte internationale Zusammenarbeit nötig, betont Wohlfahrt. Je mehr Wissenschaftler sich beteiligten, desto besser. Zurzeit habe die Methode noch Exotenstatus. Die Chlorophyllfluoreszenz der Vegetation werde weltweit an nicht einmal 20 Standorten regelmäßig erfasst, moniert der Forscher. „Zum Vergleich: Es gibt global rund 500 Messtürme, die atmosphärische CO2-Daten sammeln. Es ist also noch Luft nach oben.“ Doch in den nächsten zehn Jahren, davon ist er überzeugt, wird die Methode auch an diesen Messstandorten zum Standard werden.