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Gläsernes Erdreich

Mit Radarwellen poröse Sedimente durchleuchtet

Von Rainer Scharf

Ackerböden und anderes Erdreich sind von zahllosen Löchern, Rissen und Körnern durchsetzt. Je lockerer ein Boden ist, desto besser können darin Pflanzen gedeihen. Denn ein poröser Boden kann mehr Wasser aufnehmen als ein fester. Zudem können sich Pflanzenwurzeln in lockerem Erdreich leichter ausbreiten. Die Porosität des Bodens gibt deshalb wichtigen Aufschluß über dessen Qualität. Mexikanische Geologen haben nun ein Radar-Verfahren entwickelt, mit dem man die Beschaffenheit von Böden vergleichsweise schnell vor Ort bestimmen kann.

Schon seit einigen Jahren untersuchen Klaudia Oleschko und ihre Mitarbeiter von der Universidad Nacional Autónoma in Mexiko-Stadt die Porosität von Erdbodenproben. Dabei haben sie herausgefunden, daß die Struktur der Sedimente eine gewisse Selbstähnlichkeit aufweist, wie man sie von fraktalen Strukturen kennt. Ein zentimetergroßer und ein metergroßer Querschnitt ein und derselben Bodenprobe sehen sich häufig zum Verwechseln ähnlich. Den Bodenproben kann man deshalb eine sogenannte fraktale Dimension zuordnen, deren Wert bei lockeren Böden bei 1,9 und bei hartem und kompaktem Erdreich bei fast zwei liegt.

Bisher mußte man die Bodenproben behutsam entnehmen und ins Labor schaffen, wollte man die fraktale Dimension bestimmen. Doch bereits bei der Entnahme veränderte man häufig die Beschaffenheit der Probe selbst, was wiederum die Bodenanalyse beeinträchtigte. Diese Schwierigkeiten können die mexikanischen Forscher mit dem neuen Verfahren vermeiden. Denn mit den Radarwellen, die in den Boden eindringen und reflektiert werden, lassen sich der Aufbau und die fraktale Struktur des Bodens an Ort und Stelle bestimmen. Je nach Dichte und Zusammensetzung des Bodens werden die Radarwellen unterschiedlich gut reflektiert. Aus der Laufzeit der reflektierten Wellen läßt sich ermitteln, in welcher Tiefe die Risse und Hohlräume liegen. Auf diese Weise kann man die fraktale Struktur der obersten Bodenschichten rekonstruieren.

Die mexikanischen Forscher haben ihre Verfahren an einem freigelegten metergroßen Bodenquader getestet. Anhand der vom Block reflektierten Radarwellen ließ sich für jede Schicht eine fraktale Dimension ermitteln. Anschließend entnahmen Klaudia Oleschko und ihre Mitarbeiter einzelne Proben und bestimmten deren fraktale Dimension auf herkömmliche Weise, indem sie die Spalten und Hohlräume abhängig von deren Größe auszählten. Die auf beide Arten ermittelten fraktalen Dimensionen stimmten gut überein, wie die Forscher in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 89, Nr. 188501) berichten.

Da es nur etwa zwei Sekunden erfordert, einen Quadratmeter Bodenfläche zu analysieren, wird es möglich, die Struktur und Beschaffenheit von Erdreich in verhältnismäßig kurzer Zeit systematisch zu erforschen. So ließen sich rasch wichtige Informationen über den Wasserhaushalt und die Fruchtbarkeit landwirtschaftlich genutzter Böden gewinnen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 12.11.2002, Nr. 263 / Seite 38

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