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Leschs Kosmos vom 15.07.2014  Big Data

Was die Vermessung der Welt verrät

Mit Argusaugen überwacht inzwischen eine ganze Armee von Satelliten mit Sensoren und Kameras unseren blauen Planeten. Die Erdbeobachtungssysteme im Weltraum sammeln Tag für Tag enorme Mengen an Daten über Stürme, Hochwasser, Dürre oder schmelzendes Eis, sie vermessen die Erdoberfläche bis ins kleinste Detail oder bilden ihr Schwerefeld ab. Aber was lässt sich daraus lesen? 

Harald Lesch bei der Moderation

Übrigens ... zu Geld oder Umwelt

Wie steht's mit der Verantwortung der Wissenschaftler in Umweltfragen? Welche Werte haben wir für sinnvolles Handeln in der Arktis? Harald Lesch bringt es wieder auf den Punkt.

(15.07.2014)
Professor Harald Lesch

Wir werden überflutet von Daten. Doch brauchen wir all diese Informationen? Harald Lesch hinterfragt die Handhabung unseres Datenhungers.

(15.07.2014)
Hochwasser reisst Staße weg

Im Zuge des Klimawandels werden wir immer häufiger von Hochwasser heimgesucht. Können wir uns überhaupt vor den Fluten schützen?

(14.07.2014)

Harald Lesch begibt sich auf Spurensuche in der Datenfülle und zeigt auf, wie wir neue Erkenntnisse über die Erde gewinnen können und warum wir so manche Information lieber nicht ans Licht gebracht hätten.

Sind Monsterwellen nur Seemannsgarn?

Gefahr für die Schifffahrt

Schiff SAR bei Seegang

1995 erwischt es in der Nordsee ein Schiff der Seenotretter während eines Einsatzes. Eine riesige Welle trifft die „Alfried Krupp“ und reißt zwei Männer von Bord. In der gleichen Nacht registriert die Messanlage der Draupner-Bohrinsel nur 570 Kilometer entfernt eine andere enorme Welle. Zwei Riesenwellenereignisse in einer Nacht in der vergleichsweise kleinen Nordsee – das kann kein Zufall sein. Zum ersten Mal wird einwandfrei dokumentiert, dass Monsterwellen existieren.

Spurensuche über Satelliten

Monsterwelle

Die Riesenbrecher sind tückisch und treten praktisch aus dem Nichts auf. Im Schnitt gehen pro Woche zwei Schiffe auf den Weltmeeren verloren. Forscher gehen davon aus, dass haushohe Wellen eine der größten Gefahren für die Schifffahrt sind. Der Blick aus dem All liefert Hinweise auf die Entstehung der geheimnisvollen Naturgewalt. Satellitendaten zeigen: Es ist eine ganz bestimmte Konstellation aus Wind und Wellen, die den Boden für eine Monsterwelle bereitet.

Entstehung der Wasserwalzen

Vergleich Satellitenbild

Monsterwellen sind anders als die Wassermassen, die bei starken Stürmen an Küsten drängen. Sie sind extrem steil, können bis zu vierzig Meter hoch werden und entstehen mitten auf dem Meer. Am Zentrum für maritime Sicherheit in Bremen wollen Wissenschaftler herausfinden, wie die riesigen Wogen entstehen. Die Forscher vergleichen Satellitenbilder der Meeresoberfläche mit Bildern der Wolkenformation. Kurz bevor eine Welle zuschlägt, zeigen die Bilder immer die gleiche Form: einen Ring aus Wolken, eine sogenannte „offene Zelle“. Sie entsteht, wenn kalte Luft auf die Nordsee fällt und die wärmere Luft nach oben verdrängt. Die kalte Luft breitet sich als Böe übers Meer aus. Ist sie genauso schnell wie das Wasser, füttert der Wind die Welle ständig mit Energie und lässt sie wachsen: Eine Monsterwelle entsteht.

Herausforderung für Konstrukteure

Versuch im Wellenkanal

Um herauszufinden, wie gut Boote gewappnet sind gegen die stürmische See, werden Tests an Modellen durchgeführt. Im Wellenkanal der HSVA, der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt, simulieren die Ingenieure starken Seegang. Messgeräte erfassen, wie das Boot reagiert und ob die Konstruktion des Schiffs im Prinzip für hohe Seegänge ausgelegt ist. Inzwischen wissen die Experten: Befindet sich die Brücke direkt vorn am Bug, trifft die Welle den empfindlichsten Teil des Schiffs, ein Kurzschluss kann es manövrierunfähig machen. Das können Ingenieure bei der Konstruktion neuer Schiffe beachten.

Simulation für Vorhersagen

Satekllitenbild Böe

Älteren Schiffen bleibt nur eine Lösung: der Welle aus dem Weg zu gehen. Aber wann ist mit einer Monsterwelle zu rechnen? Für eine Vorhersage brauchen Forscher eine gut dokumentierte Welle. Auf der Forschungsplattform FINO zeichnen Messgeräte alle Daten einer Riesenwelle auf – so kann das Phänomen im Computer nachgebildet werden. Wenn es die Böen einer offenen Zelle sind, also aus einem Wolkenring, die das Wasser zur Welle hochpeitschen, müssen sie diese Böen in ihre Berechnungen mit einbeziehen. Die Forscher füttern also ein herkömmliches Seegangsmodell mit den Daten zur Geschwindigkeit der Windböen, und tatsächlich entspricht ihre Simulation genau der dokumentierten Welle.

Überwachung durch Frühwarnsystem

Satellit zur Fernerkundung

Für ein Frühwarnsystem, das Monsterwellen rechtzeitig erkennt, müssten die Weltmeere lückenlos per Satellit überwacht werden. Allein die Auswertung der Daten wäre eine Mammutaufgabe. Und nicht für jeden kommt es infrage, den Riesenwogen auszuweichen. Arbeiter auf Bohrinseln etwa nützen Vorhersagen nur, wenn ihnen genügend Zeit bleibt, die Plattform zu evakuieren.

Die Jahrtausendflut

Im Zuge des Klimawandels werden wir immer häufiger von Hochwasser heimgesucht. Wenn die Flut kommt, herrscht am Boden pures Chaos. Übersichtlich wird die Notsituation erst aus der Vogelperspektive. Das Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation erstellt Hochwasserkarten für den akuten Notfall. Ihr Informant ist ein Satellit, der die Erdoberfläche abtastet. Da Wasser anders reflektiert als Land, sehen sie an den Mustern, welche Gebiete überschwemmt sind. Aus diesen Daten werden Karten erstellt.
Satellitenbild im Vergleich Überschwemmung
Vergleich vor und während der Flut: Risikogebiete sind gut zu erkennen.

Um herauszufinden, welche Gebiete in Zukunft besonders gefährdet sind, werden per Laserscanner dreidimensionale Geländemodelle von Risikoregionen erstellt. Solche Prognosen sind nicht nur für Anrainer, sondern auch für Versicherungen von größtem Interesse.

Die programmierte Katastrophe

Was auf unseren Feldern wächst, mag üppig erscheinen – aber es reicht nicht für alle. Zumindest nicht für die Landwirte, die wollen, dass ihre Rinder möglichst schnell an Gewicht zulegen. Kraftfutter, oft aus Übersee, ist die Lösung. Zum Beispiel aus den Great Plains, einem der größten landwirtschaftlichen Anbaugebiete der Welt. Unter der Erde dieser Region verbirgt sich ein riesiger Wasserspeicher, der Ogallala Aquifer. Das fossile Wasser, ein Überbleibsel aus der letzten Eiszeit, erstreckt sich von South Dakota bis nach Texas. Vor allem im mittleren Westen der USA, in Garden City, Kansas, ist der Wasserspeicher die Lebensgrundlage für Farmer. Sie schöpfen ihren Schatz im Untergrund mit vollen Händen aus. Aber wissen sie eigentlich, was sie an ihm haben? Und wie viel Wasser kann der Ogallala Aquifer noch liefern? Ist er irgendwann schlicht aufgebraucht?

Der Datenweg von GRACE

Die Zwillingssatelliten GRACE

Zweimal am Tag überfliegt GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) die Empfangsantennen des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in Neustrelitz und in Weilheim in Oberbayern. Die Bodenstationen müssen das Zeitfenster genau abpassen. Die Station kann nur während des 15-minütigen Überflugs eine Verbindung zu GRACE herstellen. In dieser kurzen Zeitspanne müssen die Daten aus dem All auf der Erde angekommen sein.

Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam macht sich auf die Suche nach Antworten. Ihre Daten dafür kommen aus dem All. Seit 2002 sammelt die Satellitenmission GRACE Daten über die Verteilung der Masse auf unserem Planeten und erfasst das Schwerefeld der Erde. Weil Wasser das Schwerefeld beeinflusst, kann GRACE damit unterirdische Wasserspeicher aufspüren und aufzeigen, was sich dort verändert. Es zeigt sich, dass die Situation inzwischen verfahren ist: Wenn Farmer aus Great Plains Wasser sparen, gehen ihre Erträge zurück, und das hebt den Maispreis auf dem gesamten Weltmarkt. Spätestens wenn die Preise für Biotreibstoffe in die Höhe schießen und das Kraftfutter unserer Rinder teurer wird, werden wir merken, dass auch wir in Deutschland auf das Wasser aus dem Ogallala Aquifer angewiesen sind. Seit der ersten Messung über dem Ogallala Aquifer 2002 ist der Wasservorrat enorm geschrumpft. Regenerieren kann sich der Wasserspeicher nicht. Dafür regnet es zu wenig. Um das Reservoir vollständig wieder aufzufüllen, bräuchte es die Regenmenge von über 1000 Jahren. Niemand weiß, wie lange der Boden noch Wasser hergibt.


Das arktische Dilemma

Lukrative Abkürzung

Pinguine auf Eisscholle vor Kreuzfahrtschiff

Die Route durch das Packeis des Nordpolarmeeres war bislang nur Eisbrechern möglich. Forscher fanden heraus, dass das arktische Gewässer durch die Klimaerwärmung immer häufiger im Sommer für mehrere Monate schiffbar sein wird. Die Daten zur Entwicklung in der Arktis könnten der Startschuss sein für ein Riesengeschäft. Die Nord-Ost-Passage über das Nordpolarmeer verbindet Asien mit Europa. Von Hamburg bis Tokio verkürzt sich die Route im Vergleich zur bisherigen Süd-Route über den Suezkanal um ein Viertel. Bis zu 300.000 Dollar pro Schiff kann ein Reeder sparen, der sein Schiff durchs Packeis schickt.

Katastrophale Folgen

Tanker Exxon Valdez

Für die einzigartige Tierwelt wird das nicht ohne Folgen bleiben. Ab 2030, so schätzen Forscher, könnten Containerschiffe dieses eiskalte Paradies regelmäßig durchqueren. Und je nach Ladung der Handelsschiffe kann das katastrophale Folgen haben für das sensible Ökosystem der Arktis. Der Notruf, der am 24. März 1989 die Küstenwache Alaskas erreicht, gilt einer der größten Umweltkatastrophen der Geschichte. Die „Exxon Valdez“ verliert in arktischen Gewässern fast 40 Millionen Liter Rohöl. Die Tiere, die im Öl verenden, sind die ersten Opfer der Valdez – doch bis heute ist Öl im Wasser Alaskas nachweisbar. Durch die Kälte des arktischen Klimas wird es nur sehr langsam abgebaut.

Hilfreiche Satellitenbilder

Satellit zur Fernerkundung

Satellitenbilder zeigen zwar, dass das arktische Eis von Jahr zu Jahr dünner und brüchiger wird, aber trotzdem ist es noch an vielen Stellen dick genug, um Schiffe havarieren zu lassen. Deshalb haben sich Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen zu einem einzigartigen Projekt zusammengefunden. Im deutschen Klimarechenzentrum erhält der Superrechner Blizzard Daten, die Forscher aus den Satellitenbildern gewonnen haben, und koppelt sie mit meteorologischen Daten und Informationen zum arktischen Ozean. Der Supercomputer kann daraus berechnen, wie sich das Eis entwickeln wird. Ein erster Schritt, um die Schifffahrt in der Arktis zumindest ein Stück sicherer zu machen.

Idividuelle Berechnungen

Eisbrecher in Schollenmeer

Eine solche Eisvorhersage ist schwierig, weil das Eis in der Arktis sich ständig verändert. Die Forscher wollen wissen, in welche Richtung sich die Schollen bewegen und wie brüchig sie sind. Aus den Daten errechnen sie eine nützliche Navigationshilfe, die angibt, welcher Weg durch das Eis für die nächsten sechs Tage am besten schiffbar ist.

Gewappnet mit einem solchen „Navi“ bricht im März 2014 das Forschungsschiff Lance in die Arktis auf. Es ist der erste Praxistest für das System. Wie dick das Eis sein darf, hängt von der Konstruktion des Schiffes ab. Deshalb bezieht das Navi die Baudaten des jeweiligen Schiffstyps in die Berechnung mit ein. Die optimale Route wird so für jedes Schiff individuell bestimmt. Das Forschungsschiff meistert den berechneten Weg durchs Eis, das Navi hat den Test bestanden. Wenn sich die Schifffahrt in der Arktis schon nicht einschränken lässt, kann sie so zumindest ein bisschen sicherer werden.

 

15.07.2014

Terra X |

Terra X Lesch & Co

Ein neues Team am Start: Harald Lesch und Philip Häusser sieht man ab 3. Februar 2016 auf Youtube. [mehr]

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