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Messung im Überflug

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 27.02.2013 17:40

Seit Herbst 2007 hebt sich im badischen Staufen der Boden unter der denkmalgeschützten Altstadt. Eine verunglückte Geothermiebohrung lässt den Untergrund aufquellen, bislang um bis zu 48 Zentimeter. Seither wird die Entwicklung vor Ort mit regelmäßigen Messkampagnen beobachtet. Eine Alternative wird am Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam getestet: Dort wertet man Radarbilder des deutschen Satelliten TerraSAR-X aus.

Die Stadt Staufen am Ausgang des Münstertals. (Bild: Wikimedia/Taxiarchos228) Eine malerische, denkmalgeschützte Altstadt, eine pittoreske Burgruine aus dem Mittelalter auf einem steilen Kegel über der Stadt und ein wundervoller Blick hinunter ins Markgräflerland - so möchte Staufen am Südhang des Schwarzwalds gern bekannt sein. Seit Herbst 2007 macht das knapp 8000 Einwohner zählende Städtchen allerdings ganz andere Schlagzeilen: Eine Geothermiebohrung, die das Rathaus mit Wärme versorgen sollte, ging schief und seitdem hebt sich der Untergrund unter der Altstadt unaufhörlich. "Wir haben ein Deformationsfeld erfassen können, das sich in einer elliptischen Form in Nordost-Südwest-Richtung über das Stadtzentrum abzeichnet", berichtet Christin Lubitz, Doktorandin in der Fernerkundungsabteilung des Deutschen Geoforschungszentrums in Potsdam, "seine Ausdehnung ist in etwa 300 Meter in nordost-südwestlicher Richtung und etwa 200 Meter in nordwest-südöstlicher Richtung."

Für ihren Befund muss Lubitz gar nicht ihren Schreibtisch verlassen und ins 600 Kilometer entfernte Staufen reisen, denn die Doktorandin untersucht, wie gut sich die Bilddaten von Fernerkundungssatelliten für die Überwachung der Bodenbewegung unter der Staufener Altstadt eignen. Bislang vermisst das Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau die Bodenhebungen in Staufen geodätisch an insgesamt 89 Messpunkten. Die Kampagnen finden im Zwei-Monats-Rhythmus statt, in der Altstadt rückten die Vermessungsingenieure anfangs sogar alle 14 Tage an.

Erdbeobachtungssatelliten wie der deutsche TerraSAR-X ermöglichen Aufnahmen der Erde in einer Auflösung von bis zu einem Meter. (Bild: Astrium GmbH)Der deutsche Radarsatellit TerraSAR-X überfliegt die badische Kleinstadt dagegen alle elf Tage und liefert aus seiner Umlaufbahn in 514 Kilometern Höhe Bilder mit einer Auflösung von drei Metern. Lubitz hat bislang Bilddaten aus der Periode von Juli 2008 bis Mai 2011 ausgewertet und sitzt derzeit an der Bearbeitung der Bilder, die seitdem geschossen wurden. Ihre Ergebnisse bestätigen - wenig überraschend - die Messungen der Ingenieure am Boden, doch die Radarbilder können die Hebungen für eine wesentlich größere Zahl von Messpunkten liefern. "Ich kann das gesamte Stadtgebiet innerhalb einer Aufnahme zu einem Zeitpunkt erfassen und könnte im Prinzip für jeden stabilen Streuer eine Aussage treffen, wie der sich über die Zeit verhält", erklärt sie. Mit Streuer werden Objekte bezeichnet, die die Radarstrahlung zurückwerfen, so dass der Sensor des Satelliten sie messen kann. Aus einer Bibliothek von Radarbildern lassen sich so beliebig dichte Messnetze konstruieren.

Die Veränderungen ermittelt Lubitz mit der relativ neuen Auswertungsmethode der Interferometrie: Aus den Bildern wird zunächst, vereinfacht gesagt, für jeden Streuer der Abstand zum Radarsatelliten ermittelt, ein Vergleich der Distanzdaten über die Zeit hinweg ergibt dann die Bewegung des Objektes. Bei Dingen, die wie menschliche Gebäude unbeweglich auf der Oberfläche sitzen, kann man so die Bewegung des Untergrundes ermitteln, und das auf Millimeter genau. In der Natur wird das Ergebnis durch das Pflanzenwachstum verfälscht, die Radarstrahlen von TerraSAR-X werden zum Beispiel schon an den Blättern der Bäume reflektiert. Doch in der Staufener Altstadt gibt es nur wenige Bäume, so dass die blinden Flecken auf Lubitz' Hebungskarte nicht ins Gewicht fallen.

Nach den Messungen des Landesamtes beträgt die Hebungsrate derzeit zwei bis drei Millimeter pro Monat, während anfangs mehr als zehn Millimeter verzeichnet wurden. Die Vermesser des Landesamtes haben am Messpunkt Rathausgasse in der Nähe der Geothermiebohrung eine Gesamthebung von 48 Zentimeter gemessen. In der Altstadt sind 262 private und sieben öffentliche Gebäuden beschädigt, die Beseitigung der Schäden soll nach derzeitigen Schätzungen 50 Millionen Euro kosten. Das kann sich erhöhen, denn noch immer quillt in einer Schicht im Untergrund, die die Geothermiebohrung für den darunterliegenden Grundwasserleiter geöffnet hat, Anhydrit auf. Das Mineral wandelt sich bei Anwesenheit von Wasser in Gips um, der rund 50 Prozent mehr Volumen hat. Zwar dringt offenbar kein Wasser mehr aus dem Aquifer ein, doch das bereits anwesende reicht weiterhin für die chemische Reaktion aus. Auch wenn es inzwischen abgepumpt wird, ist, so berichtete das Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau auf einer öffentlichen Veranstaltung in Staufen Mitte Januar, nicht absehbar, wann die Aufwärtsbewegung zum Stillstand kommt.

Die Radar-Interferometrie wird im Fall von Staufen nur auf ihre Anwendbarkeit getestet, doch Christin Lubitz' Ergebnisse zeigen, dass Erdbeobachtungssatelliten die Beobachtung solcher Phänomene übernehmen können. "Der Vorteil der Fernerkundung ist, dass wir im Überflug ein Gelände erfassen können und im regelmäßigen Rhythmus dann die Veränderung der Erdoberfläche ableiten können", so Lubitz. Staufen dürfte ein Einzelfall bleiben, aber die Beobachtung von Vulkanen, oder rutschgefährdeten Hängen könnte durch Satelliteneinsatz vereinfacht werden.