Sterbende Sterne helfen Wasser zu suchen: Neutronen kosmischen Ursprungs geben Hinweise

Der Dürremonitor des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig zeigt, wie viel Wasser in verschiedenen oberen Erdschichten Pflanzen zur Verfügung steht. Die Karten basieren auf Modellrechnungen, die die Art der Böden und die Niederschläge berücksichtigen. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich (FZJ) haben im Rahmen des DFG-Programms „Cosmic Sense“ gemeinsam mit Kollegen anderer Institutionen ein Messverfahren entwickelt, das den tatsächlichen Wassergehalt in Böden präzise misst. Es nutzt die Effekte aus, die kosmische Strahlung auf der Erde hervorruft.

Neutronen geben Energie an Wasser ab

Kosmische Strahlung entsteht bei der Explosion von Sternen, die Millionen Lichtjahre entfernt waren, ehe sie zugrunde gingen. Wenn diese Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, entstehen Neutronen, also elektrisch neutralen Teilchen des Atomkerns. Sie sausen mit hoher Geschwindigkeit Richtung Erde und dringen bis zu einem Meter tief ein. Hier prallen sie, wenn sie auf schwerere Atome treffen, von diesen ab. Teilweise werden sie wieder aus dem Boden herausgeschleudert. Neutronen, die auf Wassermoleküle treffen, geben einen Teil ihrer Energie ab. Sie werden also langsamer. Geschieht das mehrmals verbleibt ihnen so wenig Energie, dass sie sich nicht mehr aus dem Boden befreien können.

Schnelle Teilchen deuten auf Dürre hin

Die Neutronendichte wird mit Detektoren erfasst. Über trockenen Gebieten registrieren sie viele schnelle Teilchen, weil sie angesichts des Wassermangels nicht abgebremst werden. Ist in den oberen 100 Zentimetern jedoch Wasser, ist die Zahl der messbaren Neutronen gering. Das Verfahren nennt sich „Cosmic Ray Neutron Sensing“, etwa Messung von Neutronen, die durch kosmische Strahlung entstehen. „Wir nutzen ein mobiles Messgerät in einem Kleintransporter“, sagt Jannis Jakobi vom FZJ-Institut für Bio- und Geowissenschaften. „Damit zählen wir quasi im Vorbeifahren die schnellen Neutronen in Bodennähe und ermitteln so großflächig und vergleichsweise einfach die Bodenfeuchte. Davon könnten beispielsweise Landwirte profitieren.

Jetzt geht es um die Fitness von Pflanzen

Ebenso von einer Weiterentwicklung, mit der sich der Wassergehalt von Pflanzen ermitteln lässt. Dazu werden die schnellen und die langsamen Neutronen oberhalb von landwirtschaftlichen Nutzflächen und Wäldern gemessen. Aus dem Verhältnis ließen sich der Wassergehalt der Pflanzen und damit deren Fitness messen.

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