Nach fast vier Jahren im Orbit scheint der Radarsatellit der NASA und der französischen Raumfahrtbehörde CNES die Songtexte von Patty Griffin zu bestätigen, in denen es heißt: „Flüsse sind Flüsse, keine Linien“. Der Satellit „ Surface Water and Ocean Topography“ ( (Surface Water and Ocean Topography, SWOT) misst kontinuierlich den Wasserstand und die Breite der Flüsse weltweit und deckt dabei die wahre Komplexität der auf Karten sichtbaren blauen Linien so gründlich wie nie zuvor auf.

Darunter befinden sich durch Dämme gestaute, verzweigte, zugefrorene oder trockengelegte Flüsse, deren Verhalten sich mit hydrologischen Modellen nur schwer abbilden lässt, sagt Colin Gleason, Hydrologe an der Universität von Massachusetts, der die neue Studie leitete, deren Ergebnisse im vergangenen Monat in der Fachzeitschrift „ “ veröffentlicht wurden. Die Experten stellten fest, dass die überwiegende Mehrheit der Flüsse kein einfacher, idealisierter Kanal ist:

Vor dem Start von SWOT Ende 2022 hatten die Forscher keine Möglichkeit, die Flüsse des Planeten regelmäßig zu beobachten. Wasserstandsmesser messen zwar an bestimmten Stellen in Echtzeit die Tiefe, sind jedoch selten installiert, insbesondere in weniger entwickelten Ländern. Satelliten konnten zwar die Breite oder den Wasserstand eines Flusses beobachten, jedoch in der Regel nicht beides gleichzeitig. Um diese Lücken zu schließen, stützen sich Forscher auf Modelle, die zunehmend auf künstlicher Intelligenz basieren, die anhand dieser spärlichen Daten trainiert wurde. Um vorherzusagen, ob ein Fluss in einem heißen Sommer austrocknet oder ob es nach heftigen Regenfällen zu Überschwemmungen kommt, stellen die Modelle zahlreiche Annahmen über die Form des Flussbetts und darüber an, wie viel Wasser dorthin gelangt.

Neues Instrument, neue Modelle

SWOT wird diese Modelle revolutionieren. Der 1,2 Milliarden Dollar teure Satellit überfliegt die meisten Orte der Erde im Abstand von 11 Tagen immer wieder und kann sogar Flüsse und Seen mit einer Breite von bis zu 30 Metern aussagekräftig beobachten. Der Satellit sendet Radarimpulse aus seinem Rumpf aus, und die zurückgeworfenen Signale werden von zwei Antennen empfangen, die 10 Meter voneinander entfernt sind, sodass jede Wasseroberfläche aus leicht unterschiedlichen Winkeln untersucht wird. Durch den Vergleich der zurückkommenden Radarsignale kann SWOT die Höhe der Wasseroberfläche bestimmen und gleichzeitig deren Ausdehnung kartieren.

Seine Genauigkeit und Auflösung übertreffen alle Erwartungen, sagt Tamlin Pavelsky, Hydrologin an der University of North Carolina und Co-Leiterin des SWOT-Forschungsteams für Süßwasser: „SWOT hat uns völlig beeindruckt. Hätte man uns vor dem Start gesagt, dass es so gut werden würde, hätte ich gedacht, dass jemand lügt.“

In der neuen Studie berichten Gleason und seine Kollegen über die Untersuchung von rund 68.000 Flüssen und vergleichen die SWOT-Daten mit bestehenden hydrologischen Modellen. Die Forscher stellten fest, dass die Modelle Schwierigkeiten haben, das Verhalten zahlreicher Flüsse abzubilden, insbesondere in China, in der Arktis und in trockenen Regionen. In einigen Fällen sagten die Modelle einen Anstieg des Wasserstands voraus, während SWOT tatsächlich einen Rückgang feststellte. Wie Gleason sagt:

Laut Gleason zielt die Forschung nicht in erster Linie darauf ab, die aktuellen hydrologischen Modelle zu untergraben, sondern vielmehr darauf, zu zeigen, wie SWOT diese verbessern könnte. Alle bedeutenden Modellierungsgruppen haben an der Untersuchung mitgewirkt, und viele von ihnen arbeiten derzeit daran, die SWOT-Messungen in ihre Arbeit zu integrieren. „SWOT dient als Katalysator für den Neuaufbau der globalen Hydrologie von Grund auf. Ich hoffe, dass wir dieses Ziel erreichen werden“, sagt Gleason.

Wenn das Wasser das Sagen hat

Ein frühes Anwendungsgebiet von SWOT könnte die Entwicklung globaler Hochwassermodelle sein, auf die sich Versicherungsgesellschaften und politische Entscheidungsträger bei der Vorhersage von Gefahren stützen. Bei der Erstellung dieser globalen Modelle „müssen wir zahlreiche grobe Schätzungen hinsichtlich des Wasserstands vornehmen“, sagt Jeffrey Neal, Hydrologe an der Universität Bristol.

In ihrer Studie „ “, die im Juli in der Fachzeitschrift „ Water Resources Research“ unter dem Titel „ “ veröffentlicht wurde, berichteten Neal und seine Mitautoren, dass ein auf SWOT-Daten basierendes Hochwassermodell genauso genau sein kann wie eines, das auf der Sonarradarkartierung von Flussbetten basiert – wobei solche Daten selten sind, da ihre Erfassung aufwendig und kostspielig ist. Fathom, ein Unternehmen des Versicherungsriesen Swiss Re, nutzt die SWOT-Daten bereits in seinem globalen Hochwassermodell. Neal nutzt diese Daten unterdessen zur Vorhersage von Hochwasserrisiken in Südafrika, wo der Klimawandel das Niederschlagsverhalten grundlegend verändert hat.

SWOT deckt auch Prozesse auf, die Forscher zuvor nur mit Messgeräten direkt an den Flüssen beobachten konnten. Gute Beispiele hierfür sind Hochwasserwellen: Dabei handelt es sich um anhaltende Wasserstandsanstiege, die sich flussabwärts ausbreiten und plötzliche Hochwasser verursachen. Im vergangenen Jahr hat Hana Thurman, eine Doktorandin an der Virginia Tech, gemeinsam mit ihren Kollegen nachgewiesen, dass SWOT diese Phänomene erfassen kann, auch wenn es aufgrund der für die Verarbeitung erforderlichen Ressourcen noch nicht in der Lage ist, Echtzeit-Warnungen auszugeben.

– sagt Thurman. Der Experte möchte als Nächstes untersuchen, warum manche Flüsse anfällig für gefährliche Hochwasserwellen sind, andere hingegen nicht. Dieses Thema hat nach den Hochwasserkatastrophen in Texas im letzten Jahr und in Nepal in diesem Jahr noch mehr an Relevanz gewonnen.

Rückströmungen

Der Satellit erfasst auch Wellen, die durch die Gezeiten des Ozeans stromaufwärts, also entgegen der Fließrichtung, wandern. In der Fachzeitschrift „ “ (Nature ) erschien kürzlich eine Studie, in der Michael Hart-Davis, Ozeanograph an der Technischen Universität München, und seine Kollegen mithilfe von SWOT mehr als 51.000 Flussarme untersuchten. Im Rahmen dieser Arbeit identifizierten sie mehr als 165.000 Kilometer Flussabschnitte, in die die Gezeiten eindringen und die lokalen Ökosysteme dem Salzwasser aussetzen.

In Südafrika und an anderen Orten dringt die Flut in einigen bisher nur sehr selten beobachteten Flüssen überraschend tief ein, sagt Hart-Davis. Selbst im Fall des Amazonas, wo die Auswirkungen der Gezeiten gut bekannt sind, war es ein außergewöhnliches Erlebnis, das gesamte Ausmaß des Phänomens zu sehen, fügt der Experte hinzu: „Es ist erstaunlich, wie weit die hereinfließenden Ozeane vordringen.“

Dieselben Messungen bieten auch neue Perspektiven in Bezug auf Seen und aquatische Lebens en, sagt Pavelsky. Jida Wang, Limnologin an der Universität von Illinois, hat mithilfe von SWOT eine umfassende Untersuchung von mehr als 5 Millionen Seen durchgeführt. Ihrer noch unveröffentlichten Analyse zufolge kann die von den Seen gespeicherte Wassermenge um bis zu 70 % von den bisherigen Annahmen abweichen. Künstliche Stauseen, in denen Wasser gespeichert und wieder abgelassen wird, sind für die Hälfte dieser Abweichung verantwortlich, obwohl sie nur 5 % der Gesamtzahl der Seen ausmachen. „Menschliches Eingreifen neigt tatsächlich dazu, die Natur zu dominieren“, sagt der Forscher.

Dies gelte auch für Flüsse, fügt Arnaud Cerbelaud, Hydrologe für Fernerkundung am CNES, hinzu. Im Rahmen der Studie „ “ ( ), die sich mit den Veränderungen des Wasserstands der Flüsse weltweit befasste und die er teilweise leitete, stellten seine Kollegen fest, dass einige Flüsse, wie beispielsweise der Nil, deutlich niedrigere Wasserstände aufweisen als von den Modellen vorhergesagt – möglicherweise aufgrund von Bewässerung oder des riesigen neuen Staudamms, der derzeit in Äthiopien gebaut wird. Wie der Experte sagt: