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Radar durchleuchtet fraktalen Erdboden

Von Rainer Scharf

Ackerböden und anderes Erdreich enthalten zahllose Löcher, Risse und Körner unterschiedlicher Größe. Ihre fraktale Struktur, von der die Bodengüte abhängt, haben jetzt Geologen in Mexiko mit Hilfe von Radarwellen vor Ort bestimmt.

(Bild)
Mit Radarwellen die Bodengüte bestimmen. (Quelle: K. Oleschko)

Klaudia Oleschko von der Universidad Nacional Autónoma in Mexico City und ihre Kollegen untersuchen schon seit einigen Jahren die Porosität von Erdbodenproben. Dabei haben sie herausgefunden, dass die räumliche Struktur von Sedimenten über einen großen Bereich von Längenskalen eine Selbstähnlichkeit aufweist: Mikroskopische Detailaufnahmen einer Bodenprobe ähneln einem Bild der ganzen Probe. Die untersuchten Querschnitte der Böden haben eine fraktale Struktur, der man eine fraktale Dimension zuordnen kann. Der Wert dieser Dimension, der zwischen 1 und 2 liegt, hängt von der Art und Beschaffenheit des Bodens ab.

Bisher musste man die Bodenproben behutsam entnehmen und ins Labor schaffen, um ihre fraktale Dimension bestimmen zu können. Dabei störte man jedoch das Bodengefüge in der Probe. Dies wiederum beeinträchtigte die fraktale Bodenanalyse. Mit Radarwellen, die in den Boden eindringen und zurückgeworfen werden, können die mexikanischen Forscher den Aufbau und die fraktale Struktur des Bodens jetzt vor Ort bestimmen, ohne ihm Proben entnehmen zu müssen. Je nach Dichte und Zusammensetzung des Bodens werden die Radarwellen unterschiedlich gut reflektiert. Aus der Laufzeit der Wellen lässt sich die Tiefe der Bodenschicht bestimmen, von der sie reflektiert wurden. Auf diese Weise kann man die Struktur der oberflächennahen Bodenschichten rekonstruieren.

An einem metergroßen Bodenblock, den die mexikanischen Forscher freigelegt hatten, haben sie ihr Verfahren getestet. Anhand der vom Block reflektierten Radarwellen ließ sich für jede Schicht des Blocks eine fraktale Dimension berechnen. Anschließend entnahmen Klaudia Oleschko und ihre Mitarbeiter dem Block einzelne Proben und bestimmten deren fraktale Dimension auf herkömmliche Weise, indem sie die Spalten und Hohlräume in Abhängigkeit von der Größe auszählten. Beide Dimensionen stimmten gut überein. Mit dem neuen Radarverfahren benötigt man etwa zwei Sekunden, um einen Quadratmeter Bodenfläche zu analysieren. So lassen sich schnell Informationen über die den Zustand und die Bodenqualität eines landwirtschaftlich genutzten Feldes gewinnen. 

Quelle
K. Oleschko et al., Fractal Scattering of Microwaves from Soils, Physical Review Letters 89, 88501 (2002)  http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e188501

Kontakt
Klaudia Oleschko, olechko@servidor.unam.mx
http://geologia.igeolcu.unam.mx/EDAF/klavdia.htm

pro-physik.de v. 15.10.2002

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