Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 4. Juni 2024.

4. Juni 2024 – Grundwasser bildet das größte ungefrorene Süßwasserreservoir der Welt und ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Wie sich die globale Erwärmung auf dessen Temperatur auswirkt und was das für Mensch und Natur bedeutet, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) jetzt untersucht. Die Studie zeigt, dass bis zum Jahr 2100 voraussichtlich mehr als 75 Millionen Menschen in Gebieten leben werden, in denen das Grundwasser den höchsten von einem Land festgelegten Grenzwert für die Trinkwassertemperatur überschreitet. Ihre Ergebnisse sind in Nature Geoscience veröffentlicht. (DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x)

Das Klimasystem erwärmt sich. Grund dafür ist die erhöhte Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre, welche die Wärmeabstrahlung einschränken. Einen großen Teil dieser Wärme nehmen die Ozeane auf, aber auch Böden und das Grundwasser wirken als Wärmesenken. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich diese Erwärmung der Erdoberfläche räumlich und zeitlich auf das Grundwasser auswirkt. „Um die Lücke zu schließen, haben wir die prognostizierten Veränderungen der Grundwassertemperatur bis zum Jahr 2100 auf globaler Ebene dargestellt“, sagt Dr. Susanne Benz vom Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) des KIT, welche die Studie gemeinsam mit Dr. Kathrin Menberg und Professor Philipp Blum vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT erstellt hat. „Wir stellen globale Temperaturkarten für Grundwasser in verschiedenen Tiefen unter der Erdoberfläche zur Verfügung. Diese zeigen, dass an Orten mit flachem Grundwasserspiegel und/oder hoher atmosphärischer Erwärmung weltweit die höchsten Grundwassererwärmungsraten zu erwarten sind.“

Die Forschenden beziehen sich auf die Klimaszenarien „SSP2-4.5“ und „SSP5-8.5“. Solche Szenarien beschreiben verschiedene sozioökonomische Entwicklungen sowie unterschiedliche Verläufe des atmosphärischen Treibhausgasgehalts in der Zukunft. SSP2-4.5 stellt dabei etwa die Mitte der möglichen zukünftigen Treibhausgasentwicklungen dar, SSP5-8.5 den oberen Rand.

Millionen Menschen von zu warmem Trinkwasser betroffen
Die Studie zeigt, dass die Grundwassertemperaturen bis zum Jahr 2100 um 2,1 Grad Celsius nach SSP2-4.5 und um 3,5 Grad Celsius nach SSP5-8.5 ansteigen werden. „Schon heute leben rund 30 Millionen Menschen in Gebieten, in denen das Grundwasser wärmer ist, als die strengsten Richtlinien für Trinkwasser vorgeben. Das bedeutet, dass das Wasser dort nicht bedenkenlos direkt getrunken werden kann, sondern zum Beispiel abgekocht werden muss. Denn auch das Trinkwasser in den Wasserleitungen wird durch die Wärme im Boden aufgeheizt“, so die Wissenschaftlerin. „Je nach Klimaszenario werden bis zum Jahr 2100 bis zu mehrere Hundert Millionen Menschen betroffen sein.“ Nach SSP2-4.5 steige die Zahl auf 77 bis 188 Millionen Menschen, nach SSP5-8.5 auf 59 bis 588 Millionen an, so die Studie. Die starken Schwankungen hängen mit der räumlichen Variabilität des Klimawandels und der Bevölkerungsentwicklung zusammen. Die geringsten Erwärmungsraten prognostizieren die Forschenden für Gebirgsregionen mit tief liegendem Grundwasserspiegel wie die Anden oder die Rocky Mountains.

Temperaturänderungen beeinflussen Ökosysteme
Die Temperatur des Grundwassers spielt eine entscheidende Rolle für die Wasserqualität. Sie beeinflusst eine Vielzahl chemischer, biologischer und physikalischer Prozesse. „Wenn die Bedingungen stimmen, können steigende Grundwassertemperaturen indirekt dazu führen, dass sich schädliche Stoffe wie Arsen oder Mangan im Grundwasser anreichern. Diese erhöhten Konzentrationen können sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken, insbesondere wenn das Grundwasser als Trinkwasserquelle genutzt wird“, sagt Benz. Zudem beeinflusse wärmeres Grundwasser den Temperaturhaushalt von Flüssen, grundwasserabhängige Ökosysteme, aquatische biogeochemische Prozesse und das geothermische Potenzial. Dies stelle eine Herausforderung für die biologische Vielfalt dar und berge das Risiko, dass Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe gestört werden.

Darüber hinaus können die erhöhten Temperaturen im oberflächennahen Boden und im Grundwasser kritische Schwellenwerte in den Wasserverteilungsnetzen überschreiten. Dies könnte gesundheitliche Folgen haben, beispielsweise durch das Wachstum von Krankheitserregern wie Legionella spp. Auch Fischarten, insbesondere der Lachs, sind von den veränderten Bedingungen betroffen. Laichplätze in Flüssen, die auf das Grundwasser angewiesen sind, könnten durch die Erwärmung zu warm werden und so die Fortpflanzung gefährden. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, Maßnahmen zum Schutz der Grundwasserressourcen zu ergreifen und nachhaltige Lösungen zu finden, um den negativen Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasser entgegenzuwirken“, appelliert Benz.

Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Originalpublikation
Susanne A. Benz, Dylan J. Irvine, Gabriel C. Rau, Peter Bayer, Kathrin Menberg,
Philipp Blum, Rob C. Jamieson, Christian Griebler, Barret L. Kurylyk: Global groundwater warming. Nature Geoscience, 2024.
DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: GFZ 11. Mai 2024.

11. Mai 2024 – Der Vergleich mit geologischen Karten, Informationen zu Grundwasserspeichern und Daten der GRACE-Satellitenmission zeigt einen besorgniserregenden Trend: In zahlreichen iranischen Provinzen wächst das Risiko einer irreversiblen Erschöpfung und Schädigung der Grundwasserreservoirs, wobei einige Reservoirs möglicherweise dauerhaft verloren gehen.
Insbesondere in der südostiranischen Provinz Kerman kommt es zu dramatischen Absenkungsraten. „Der Bezirk Rafsanjan in der Provinz Kerman ist Irans Zentrum der Pistazienproduktion, und wir haben dort alarmierende Senkungsraten gemessen, die an einigen Standorten 35 Zentimeter pro Jahr übersteigen“, sagt Mahdi Motagh. Er ist Arbeitsgruppenleiter in der GFZ-Sektion „Fernerkundung und Geoinformatik“ und Professor am Institut für Photogrammetrie und GeoInformation an der Leibniz-Universität Hannover, wo Hauptautor Dr. Mahmud Haghshenas Haghighi Wissenschaftlicher Mitarbeiter ist. Sie nutzten Radar-Interferometrie (Engl. “Interferometric Synthetic Aperture Radar”| InSAR), um die Bodenabsenkungen zu messen. „Anhand von mehr als 6.000 Sentinel-1-Bildern aus dem Zeitraum zwischen 2014 und 2020 haben wir eine Karte der Landabsenkung mit einer bislang einzigartigen Auflösung von 100 Metern für ganz Iran erstellt“, sagt Motagh.

In dem Land mit rund 84 Millionen Menschen zeichnet sich seit Jahren eine Grundwasserkrise ab. Durch die Kombination von Satellitendaten mit verschiedenen geologischen Beobachtungen und hydrogeologischen Messungen wurde für Iran ein nicht nachhaltiger jährlicher Grundwasserverlust von 1,7 Milliarden Kubikmetern (BCM) ermittelt. Das Ausmaß dieses Verlustes stellt eine große Herausforderung dar, da die Wiederauffüllung solcher Grundwasservolumina Hunderte oder sogar Tausende von Jahren dauern könnte, wenn sie überhaupt möglich ist.

Den Autoren zufolge ist der Hauptgrund für diesen enormen Verlust an Grundwasser die nicht nachhaltige Bewässerungslandwirtschaft, die durch das Bevölkerungswachstum und die Industrialisierung des Iran noch verstärkt wird. Mahdi Motagh sagt: „Die nicht-nachhaltige Entnahme von Grundwasser ist leider alltägliche Praxis geworden.“

Landabsenkungen, die ein sichtbares Zeichen für die Verdichtung der Grundwasserleiter sind, treten im ganzen Land auf. Etwa 3,5 Prozent der iranischen Landfläche sind von diesem Problem betroffen, das Millionen von Menschen und wichtige Infrastrukturen wie Flughäfen und Eisenbahnen in Mitleidenschaft zieht. In Provinzen wie Teheran, Isfahan, Kerman und Khorasan Razavi wohnt mehr als ein Viertel der Bevölkerung in Gebieten, die in unterschiedlichem Maße von Bodensenkungen bedroht sind. „Die in Provinzen wie Kerman, Teheran, Alborz, Fars und Khorasan Razavi gemessenen Absenkungsraten von mehreren zehn Zentimetern pro Jahr gehören zu den höchsten der Welt“, sagt Mahmud Haghshenas Haghighi.

Die beiden Autoren betonen: „Diese umfassende Analyse unterstreicht den dringenden Bedarf an sofortigen Maßnahmen und der Umsetzung einer kohärenten Grundwasserpolitik. Eine solche Politik ist für die Bewältigung der iranischen Grundwasserkrise und die Bekämpfung des Wasserdefizits von entscheidender Bedeutung.“

Originalpublikation:
Mahmud Haghshenas Haghighi, Mahdi Motagh, Uncovering the impacts of depleting aquifers: A remote sensing analysis of land subsidence in Iran.Sci. Adv.10, eadk3039(2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk3039
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3039

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• GRACE-C

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Quelle: TU Graz 25. Januar 2023.

25. Januar 2023 – Europa erlebt seit Jahren eine schwere Dürre. Auf dem gesamten Kontinent ist der Grundwasserspiegel seit 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen zeitweilig ein anderes Bild vermitteln.

Den Beginn dieser angespannten Situation belegt eine Publikation von Eva Boergens in Geophysical Research Letters (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL087285) aus dem Jahr 2020. Darin stellte sie fest, dass es in den Sommermonaten 2018 und 2019 einen eklatanten Wassermangel in Zentraleuropa gab. Seit damals gab es keinen signifikanten Anstieg der Grundwasserspiegel, die Pegel sind konstant niedrig. Das zeigen Datenauswertungen von Torsten Mayer-Gürr und Andreas Kvas vom Institut für Geodäsie an der TU Graz. Sie beobachteten im Rahmen des EU-Projekts Global Gravity-based Groundwater Product (G3P) mittels Satellitengravimetrie die weltweiten Grundwasservorkommen und dokumentierten deren Veränderungen in den vergangenen Jahren.

Weitreichende Folgen
Die Auswirkungen dieser langanhaltenden Dürre waren in Europa im Sommer 2022 evident. Trockene Flussbetten, stehende Gewässer, die zusehends verschwanden und damit einhergehend zahlreiche Auswirkungen auf Natur und Mensch. Nicht nur, dass zahlreiche Wasserlebewesen ihren Lebensraum verloren und trockene Böden der Landwirtschaft viele Probleme bereiteten, auch die Energieknappheit in Europa hat sich dadurch verschärft. Für Atomkraftwerke in Frankreich fehlte das Kühlwasser, um genügend Strom erzeugen zu können und Wasserkraftwerke konnten ohne ausreichend Wasser ihre Funktion ebenfalls nicht erfüllen.

Grundwassermessung aus dem Weltall
Wie können die Geodätinnen und Geodäten an der TU Graz mit Daten aus dem Weltall genaue Aussagen über die Grundwasserspeicher tätigen? Kernstück des Projekts G3P sind Zwillingssatelliten namens Tom und Jerry, die in einer polaren Umlaufbahn in knapp 490 Kilometern Höhe die Erde umkreisen. Wichtig ist der Abstand zwischen den Satelliten von rund 200 Kilometern: Der hintere darf den vorderen nicht einholen, weswegen sie in Anlehnung an die Cartoon-Figuren auch die Bezeichnung Tom und Jerry erhalten haben.

Die Distanz zwischen den Satelliten wird laufend genau gemessen. Fliegen sie über einen Berg, dann ist der vordere Satellit aufgrund der erhöhten Masse unter ihm zunächst einmal schneller als der hintere. Hat er den Berg passiert, bremst er wieder leicht ab, dafür beschleunigt der hintere Satellit, sobald er den Berg erreicht. Sind beide jenseits des Berges, relativiert sich die Geschwindigkeit wieder. Diese Distanzänderungen über großen Massen sind die Hauptmessgrößen für die Bestimmung des Erdschwerefeldes und werden mikrometergenau bestimmt. Zum Vergleich: Ein Haar ist in etwa 50 Mikrometer dick.

Monatliche Schwerekarte der Erde
Das alles geschieht bei einer Fluggeschwindigkeit von rund 30.000 km/h. So schaffen die beiden Satelliten 15 Erdumläufe am Tag, womit sie nach einem Monat eine komplette Abdeckung der Erdoberfläche erreichen. Das bedeutet wiederum, dass die TU Graz jeden Monat eine Schwerekarte der Erde liefern kann. „Die Prozessierung und der Rechenaufwand sind hier ziemlich groß. Wir haben alle fünf Sekunden eine Abstandsmessung und damit etwa eine halbe Million Messungen pro Monat. Daraus bestimmen wir dann Schwerefeldkarten.“, sagt Torsten Mayer-Gürr.

Masse minus Masse ergibt Masse
Mit der Schwerekarte ist die Menge des Grundwassers allerdings noch nicht ermittelt. Denn die Satelliten zeigen alle Massenänderungen an und machen keinen Unterschied zwischen Meer, Seen oder Grundwasser. Dafür braucht es die Kooperation mit allen anderen Partnern des EU-Projekts G3P. Torsten Mayer-Gürr und sein Team liefern die Gesamtmasse, davon werden dann die Massenänderungen in den Flüssen und den Seen abgezogen, die Bodenfeuchte, der Schnee und das Eis wird ebenfalls subtrahiert und letztendlich bleibt das Grundwasser übrig.

Für jede dieser anderen Massen gibt es eigene Expertinnen und Experten, die hier ihre Daten einbringen. Diese sitzen neben Österreich (TU Graz, TU Wien, Earth Observation Data Center EODC) in Deutschland (GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam), der Schweiz (Universität Bern, Universität Zürich), Frankreich (Collection Localisation Satellites CLS, Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales LEGOS, Magellium), Spanien (FutureWater), Finnland (Finnish Meteorological Institute) und in den Niederlanden (International Groundwater Resources Assessment Centre IGRAC).

Europa hat ein Wasserproblem
Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit zeigt, dass die Wassersituation in Europa mittlerweile sehr prekär geworden ist. Torsten Mayer-Gürr hatte dies in so einem Ausmaß nicht erwartet. „Ich hätte mir vor ein paar Jahren nicht gedacht, dass Wasser hier in Europa einmal ein Problem sein könnte, vor allem in Deutschland oder Österreich. Wir kriegen hier tatsächlich Probleme mit der Wasserversorgung, da müssen wir uns Gedanken machen“, erklärt er. Aus seiner Sicht ist es zunächst einmal notwendig, die sich fortsetzende Dürre auch mit Daten belegen zu können und fortlaufende Satellitenmission dazu im All zu haben.

Die europäische Weltraumagentur ESA und ihr US-Pendant NASA werden diese Forschungen mit dem Projekt MAGIC (Mass-change And Geoscience International Constellation) fortsetzen. Bei der Datenauswertung wird die TU Graz wieder mit an Bord sein.

Weitere Informationen zur Satellitengeodäsie im Artikel „Katze jagt Maus im All“:
https://www.tugraz.at/tu-graz/services/news-stories/tu-graz-screenshots/einzelansicht/article/katze-jagt-maus-im-weltall/

Informationen zum Projekt G3P:
https://www.g3p.eu/

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