Augen im All, Nasen an den Bäumen

Am 10. Juni war mit mehr als 40.000 Quadratkilometern – das entspricht etwa der Größe von Hessen und Rheinland-Pfalz zusammen – bereits eine ungefähr 15-mal so große Fläche verbrannt wie im Mittel üblich zu dieser Jahreszeit. Bis Ende 2023 zählten die Behörden insgesamt fast 7.000 Brände, die zusammen rund 185.000 Quadratkilometer Wald einäscherten – mehr als die Hälfte der Fläche von Deutschland. Zum Vergleich: Im Durchschnitt der letzten Jahrzehnte verbrannten in Kanada nur etwa 22.000 Quadratkilometer Wald pro Jahr.

Weltweit neue Rekorde

Dabei ist Kanada nur ein Beispiel für eine ganze Reihe von verheerenden Wald- und Buschbränden in vielen Regionen der Erde während des letzten Jahres. So wüteten im August 2023 auf Hawaii schwere Brände, die Milliardenschäden verursachten und große Teile der Stadt Lahaina auf der Insel Maui verwüsteten. Dort brannten mehr als 2.000 Gebäude nieder, mindestens 115 Menschen kamen ums Leben. In Griechenland verbrannten zwischen Mitte Juli und Ende September insgesamt fast 1.800 Quadratkilometer (180.000 Hektar) Wald- und Buschlandschaft – viermal so viel wie in einer durchschnittlichen sommerlichen Brandsaison. In Flammen standen unter anderem Gebiete auf den Inseln Korfu und Rhodos. Auf der Kanareninsel Teneriffa loderte im August ein Waldbrand von historischem Ausmaß auf. Um ihn zu löschen, brauchten die spanischen Feuerwehrleute mehr als drei Monate. EU-weit war 2023 laut einem Bericht der Forschungsstelle der Europäischen Kommission und basierend auf Daten des European Forest Fire Information System (EFFIS) das viertschlimmste Waldbrandjahr seit der Jahrtausendwende.

Problemzone Brandenburg

Deutschland hingegen kam 2023 mit einem blauen Auge davon. Zahl und Dimension der Waldbrände waren deutlich geringer als im Jahr zuvor, als mit über 30 Quadratkilometern verbrannter Fläche ein neuer Rekord nur knapp verfehlt wurde. Es brannte vor allem in Brandenburg. Das Bundesland ist regelmäßig besonders stark von Waldbränden betroffen – vor allem wegen seines relativ regenarmen Klimas, vielerorts sandiger Böden, die kaum Wasser speichern, und zahlreichen ausgedehnten Kiefernwäldern. Diese Nadelbaumart gilt als besonders feueranfällig.

Bei den Ursachen der Brände muss sich der Mensch vor allem an die eigene Nase fassen. So wurden laut Bundeslandwirtschaftsministerium von den Waldbränden der letzten Jahre, deren Ursache sich feststellen ließ, rund 80 Prozent durch menschliche Aktivitäten ausgelöst – absichtliche Brandstiftung oder Fahrlässigkeit: etwa beim Grillen abseits geschützter Feuerstellen, beim Verbrennen von Grüngut oder durch das Wegwerfen von Zigarettenkippen. Vor allem in manchen Regionen Ostdeutschlands entzünden sich an heißen Tagen zudem immer wieder versteckte Reste von Munition, beispielsweise aus ehemaligen sowjetischen Beständen. Der wichtigste natürliche Auslöser von Waldbränden sind Blitzeinschläge.

Die Folgen des Klimawandels

Wissenschaftler erwarten in den nächsten Jahrzehnten eine stetig wachsende Bedrohung durch Waldbrände infolge des Klimawandels. So lassen Daten des Umweltprogramms der Vereinten Nationen darauf schließen, dass bei einer Erwärmung der Erde um zwei Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau das durch Waldbrände jährlich zerstörte Areal um rund 60 Prozent wachsen wird. Bei einer Erwärmung um drei Grad Celsius könnte sich die pro Jahr verbrannte Fläche sogar fast verdoppeln.

Im Bericht des Weltklimarats IPCC von 2022 stellen die daran beteiligten Forscher fest, dass der Klimawandel beispielsweise in Nordamerika bereits zu merklich wärmeren und trockeneren Bedingungen geführt hat – und damit ideale Bedingungen für das Entstehen und die Ausbreitung von Bränden schafft, wie sie 2023 Kanada heimgesucht haben. Zudem verweist der Bericht auf etliche wissenschaftliche Studien, die belegen, dass der Klimawandel für eine statistisch bereits messbare Zunahme an verbrannter Waldfläche verantwortlich ist.

Das gilt auch für Deutschland und Europa, wie eine Studie von Marc Grünig an der Technischen Universität München belegt. Der Geowissenschaftler am Lehrstuhl für Ökosystemdynamik und Waldsystemmanagement in Gebirgslandschaften hat untersucht, wie sich das Waldbrandrisiko in Europa bis zum Ende des 21. Jahrhunderts entwickeln wird. Er betrachtete zunächst, wie sich Häufigkeit und Ausdehnung von Waldbränden im Verlauf der letzten fast 40 Jahre bereits verändert haben, und verwendete dazu Satellitendaten zu mehr als 65.000 Waldbränden zwischen 1986 und 2020. Außerdem analysierte Grünig den Zusammenhang zwischen Häufigkeit, Intensität und verbrannter Fläche der Brände einerseits und den Witterungsbedingungen in den betroffenen Regionen andererseits – und entwarf auf der Grundlage dieser Erkenntnisse ein Modell, mit dem sich die weitere Entwicklung abschätzen lässt.

Futter satt für das Feuer

Das Ergebnis der Modellrechnungen: Zwar hat sich die durchschnittliche jährliche Zahl von Waldbränden seit Mitte der 1980er-Jahre nicht signifikant verändert, deren Intensität und Ausdehnung aber schon. Den Grund dafür vermutet der Münchner Forscher darin, dass die Wahrscheinlichkeit für heiße Sommer durch den fortschreitenden Klimawandel wächst. Das lässt die Wälder tendenziell stärker austrocknen. Entzündet sich dann ein Feuer – entweder durch natürliche oder durch menschliche Ursachen –, kann es sich in dem trockenen Gehölz leichter und schneller ausbreiten.

Und einen weiteren Trend hat Marc Grünig festgestellt: Schon jetzt lodern schwere Waldbrände, die früher in Europa vor allem rund ums Mittelmeer zu beobachten waren, mehr und mehr auch nördlich davon. Während vor 40 Jahren nur etwa ein Achtel der gesamten in Europa verbrannten Fläche auf Länder in der sogenannten gemäßigten Zone entfiel, liegt deren Anteil inzwischen bei rund 50 Prozent. Die Prognose des Geowissenschaftlers: Zum einen wird die Wahrscheinlichkeit für Waldbrände mit verheerenden Auswirkungen in den nächsten Jahrzehnten europaweit weiter steigen, und zum anderen wird die Gefährdung in Mitteleuropa um das Jahr 2100 herum ähnlich hoch sein wie heute bereits im Mittelmeerraum.

Doppelte Zahl extremer Brände

Auch weltweit ist bereits eine klare Entwicklung erkennbar. So untersuchten australische Wissenschaftler der University of Tasmania in Hobart die jeweils energiereichsten Brände zwischen 2003 und 2023 . Dabei stellten sie fest, dass sich die jährliche Zahl der besonders intensiven Feuer in diesem Zeitraum mehr als verdoppelt hat. Auch die dadurch freigesetzte Energie stieg um über 100 Prozent. Dieser Trend macht sich vor allem in den Nadelwäldern der klimatisch gemäßigten mittleren Breiten sowie im Hohen Norden bemerkbar.

Die Entwicklung hin zu immer mehr extremen Waldbränden macht es umso wichtiger, aufkeimende Feuer so früh wie möglich zu entdecken. Denn so lässt sich ihr Anwachsen zu einem großen Brand häufig noch verhindern.

Bislang werden viele durch Waldbrände gefährdete Gebiete von Beobachtungstürmen aus überwacht. Während diese früher während trockener und warmer Witterungsphasen mit Menschen besetzt waren, die einen scharfen Blick auf das umgebende Waldgebiet warfen, kommen inzwischen meist automatisch arbeitende Systeme zum Einsatz: Kameras inspizieren die Umgebung, um aufsteigende Rauchschwaden aufzuspüren. Teils sind sie mit einer Künstlichen Intelligenz verknüpft, die die Kameraaufnahmen nach Auffälligkeiten hin untersucht und bewertet. In Kalifornien – einer Region mit besonders großem Brandrisiko – sind mehr als tausend solcher smarten Beobachtungsstationen in Betrieb.

Kameras, Spektroskope und Sensoren

Auch in Deutschland gibt es eine solche Technik: In mehreren Bundesländern sind insgesamt rund 180 Stationen des Waldbrandfrüherkennungssystems „IQ Firewatch“ aktiv. Die von dem Berliner Unternehmen IQ Technologies for Earth and Space entwickelten Systeme enthalten unter anderem hochauflösende Kameras, Spektroskope und Infrarotsensoren sowie eine Software, die auch Künstliche Intelligenz zur Raucherkennung nutzt. Laut Hersteller gelingt das bis zu einer Distanz von rund 20 Kilometern.

Neben stationären Beobachtungsanlagen melden mitunter auch Flugzeugbesatzungen auffällige Erscheinungen am Boden, die auf ein Feuer hindeuten könnten. Außerdem kommen in einigen Regionen Drohnen zum Einsatz, um nach Rauch zu spähen. Die könnten künftig auch eigenständig unterwegs sein. Eine Technik für solche autonomen Feuermelder-Drohnen hat ein Team von Forschern an der Universität Erlangen-Nürnberg und des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen entwickelt – und im Sommer 2023 gemeinsam mit Feuerwehr und Forstverwaltung in einem Waldstück bei Möhrendorf in Mittelfranken erstmals getestet. Die Flugobjekte können selbstständig große Waldgebiete überblicken, Brandherde erkennen sowie Feuerwehrleute durch aktuelle Bilder aus der Luft beim Löschen unterstützen.

Eine Alternative bieten Satelliten. Diese werden bereits seit etlichen Jahren zur Erkennung von Wald- oder Buschbränden aus großer Höhe genutzt – unter anderem durch die US-Raumfahrtbehörde NASA und ihr europäisches Pendant ESA. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) betreiben im Rahmen des Projekts „Firebird“ seit mehr als zehn Jahren zwei Satelliten, die auf die Detektion von Wärmequellen spezialisiert sind. So lassen sich nicht nur Vulkane, brennende Schiffe oder Erdgasfackeln erkennen, sondern auch Feuer an der Erdoberfläche. Damit wollen die DLR-Wissenschaftler zum einen erforschen, welchen Beitrag solche „Hochtemperaturereignisse“ zur Emission von klimaschädlichen Gasen haben, zum anderen aber auch zu einer möglichst frühen Erkennung von Waldbränden beitragen. Dazu umrunden die beiden mit Infrarotkameras ausgestatteten Satelliten „TET-1“ und „BIROS“ die Erde mehrmals täglich in einer relativ niedrigen Höhe von rund 500 Kilometern.

Messdaten von Satelliten sind teils öffentlich im Internet zugänglich – beispielsweise auf einer „Feuerkarte“ der NASA. Sie zeigt täglich die aktuelle Verteilung von Bränden auf der ganzen Welt. Das Team des jungen Münchner Unternehmens Ororatech nutzt solche Daten, um etwa Behörden oder private Waldbesitzer vor Bränden zu warnen. Dazu bereiten die Münchner die Satellitenmesswerte zusammen mit weiteren Informationen etwa über Wetter, Vegetation und Bodenbeschaffenheit auch auf, sodass sich die weitere Ausbreitung eines aufgespürten Feuers simulieren lässt. Die dazu verwendete Software hat Ororatech gemeinsam mit Fachleuten des österreichischen Herstellers von Feuerwehr-Ausrüstung Rosenbauer entwickelt,. Das System namens „Wildfire“ kam zum Beispiel im Sommer 2022 bei Waldbränden in der Sächsischen Schweiz zum Einsatz.

Ein Netz aus Nanosatelliten

Allerdings: Die Auflösung von Kameras an Bord herkömmlicher Satelliten ist mit einigen Hundert Metern pro Pixel recht grob. Daher haben die Experten von Ororatech – einer Unternehmensgründung an der TU München – eine Technik geschaffen, die den Blick auf Rauch aus dem All deutlich schärfen soll. Dazu haben die Forscher ein System für die Messung von Wärmestrahlung entwickelt, das nicht nur besonders empfindlich, sondern auch sehr kompakt ist. Damit lässt es sich auf winzigen Satelliten im Format einer Schuhschachtel installieren. Das macht die Technik gegenüber der von konventionellen Satellitensystemen deutlich preisgünstiger. Durch ein Netz solcher Nanosatelliten, das die gesamte Erde umspannt, wollen die Münchner die Waldbrandfrüherkennung auf ein neues Niveau heben.

Einen ersten Satelliten mit der neuen Technik schickte Ororatech 2022 an Bord einer SpaceX-Rakete ins All, einen zweiter, der erstmals kommerziell genutzt wird, 2023. Weitere Starts sollen folgen. So will das Unternehmen bis 2026 über hundert der kleinen Späher in den Orbit bringen, von wo sie frische Brandherde mit einer Genauigkeit von rund zehn Metern aufspüren können – Künstliche Intelligenz zur Auswertung der Wärmebilder an Bord inklusive.

Der Duft der Flammen

Eine andere Technik zur Früherkennung von Waldbränden setzt darauf, diese aus unmittelbarer Nähe aufzuspüren. Die Basis dafür haben Forscher und Entwickler von Dryad Networks gelegt, einem jungen Unternehmen aus Berlin. Einer seiner Gründer ist Jürgen Müller, ehemaliger Leiter des Instituts für Waldsysteme am Johann Heinrich von Thünen-Institut (Bundesforschungsinstitut für Ländlichen Raum, Wald und Fischerei) in Eberswalde. Dort entwickelte er ein neuartiges System, um Waldbrände bereits in der Entstehungsphase zu entdecken. Nun widmet sich der Biologe als wissenschaftlicher Berater bei Dryad Networks der Umsetzung des Konzepts als Produkt.

Herzstück der elektronischen Nasen sind Messgeräte, die im Wald verteilt werden, um dort nach verräterischen Brandgasen zu „schnüffeln“. Die handtellergroßen Messgeräte, die an Bäumen befestigt werden, enthalten dazu hochempfindliche Sensoren, die bei Bosch entwickelt wurden und unter anderem Kohlenmonoxid oder Wasserstoff erkennen – selbst in geringer Konzentration. Erschnüffelt die Technik solche Gase, die etwa in glühendem Holz entstehen, schlägt sie Alarm. Der gelangt über ein eigens dafür aufgebautes Funknetz in eine Zentrale, wo die Sensordaten zunächst automatisch überprüft werden.

Das erledigt eine Künstliche Intelligenz, die darauf trainiert wurde, viele Gerüche des Waldes voneinander zu unterscheiden. Bestätigt sich bei diesem Check der Verdacht auf einen Brand, verständigt das System die Feuerwehr. Den elektrischen Strom für Sensoren und Funknetz liefern Solarmodule.

Tausende Sensoren im Einsatz

Weltweit verrichten bereits an rund 50 Standorten insgesamt mehr als 20.000 künstliche Nasen von Dryad ihren Dienst, etwa in Spanien, Griechenland, den USA und Deutschland. So besteht seit 2023 im Eberswalder Forst, wo sich auch das brandenburgische Landeskompetenzzentrum Forst befindet, ein Testfeld für die Technik, das mit 400 Frühwarnsensoren bestückt ist. Bei dem 2018 gegründeten Unternehmen hofft man, dass bis 2030 rund 120 Millionen Sensoren in den Wäldern der Welt aktiv sind.

Damit das System funktioniert, müssen die Messfühler engmaschig im Wald verteilt werden. Bei einer großen Waldfläche macht das die Technik recht teuer. Daher wird sie vor allem an besonders gefährdeten Bereichen eingesetzt, etwa entlang von Waldwanderwegen oder an Bahndämmen. So können die kleinen elektronischen Schnüffler vielleicht dazu beitragen, große Schäden wie durch die Brände in Kanada 2023 zu verhindern.