Immer öfter ereig­nen sich unvor­her­ge­se­hene Umwelt­ka­ta­stro­phen wie Über­flu­tun­gen oder Hang­rut­schun­gen. Pro­jekt der Euro­päi­schen Welt­raum­be­hörde mit Betei­li­gung der TU Wien wid­met sich der Berech­nung des Wasserkreislaufs.

Der Kli­ma­wan­del ver­än­dert den Was­ser­kreis­lauf und das eröff­net meh­rere rele­vante Fra­gen, die sich nicht in einer ein­fa­chen, glo­bal gül­ti­gen For­mel zusam­men­fas­sen las­sen. Der Was­ser­kreis­lauf ist ein kom­ple­xes Sys­tem, regio­nal kön­nen sich ganz unter­schied­li­che Ver­än­de­run­gen zei­gen. In man­chen Regio­nen wird es tro­cke­ner, in ande­ren steigt die Regen­menge, Extrem­wet­ter­er­eig­nisse ändern und ver­schie­ben sich. Um nun die­ses kom­plexe Sys­tem bes­ser vor­her­sag­bar zu machen, star­tete ein von der Euro­päi­schen Welt­raum­be­hörde ESA finan­zier­tes Pro­jekt. Gelei­tet vom ita­lie­ni­schen Natio­nal Rese­arch Coun­cil (NRC) wird dabei ein soge­nann­ter Digi­tale Zwil­ling der Hydro­sphäre geschaffen.

In Folge wird dann der Was­ser­kreis­lauf und die rele­van­ten mit ihm ver­bun­de­nen Phä­no­mene phy­si­ka­lisch am Com­pu­ter nach­ge­bil­det und so lässt sich simu­lie­ren, wie eine ganz bestimmte Region auf hydro­lo­gi­sche Ver­än­de­run­gen reagiert. Damit sol­len nicht nur Kata­stro­phen wie Über­schwem­mun­gen, son­dern auch schlei­chende, etwaig durch Tem­pe­ra­tur­ver­än­de­run­gen ver­ur­sachte Ver­än­de­run­gen in Was­ser­haus­hal­ten räum­lich detail­lier­ter vor­her­ge­sagt wer­den. Ein wich­ti­ges Ele­ment dafür sind Satel­li­ten­da­ten und da sorgt die TU Wien dafür, dass spe­zi­ell Radar­sa­tel­li­ten­da­ten über den Was­ser­kreis­lauf nun in sehr guter räum­li­cher Auf­lö­sung zur Ver­fü­gung stehen.

Ein „digi­ta­ler Zwil­ling“ der Erde
Das Kon­zept des „digi­ta­len Zwil­lings“ spielt in der Indus­trie schon lange eine wich­tige Rolle. Kom­pli­zierte Sys­teme wie etwa Pro­duk­ti­ons­an­la­gen wer­den phy­si­ka­lisch exakt am Com­pu­ter nach­ge­bil­det. Damit kön­nen dann belie­bige und ent­spre­chende rea­li­täts­nahe Bedin­gun­gen vor­ge­ben wer­den. Ähn­lich wie beim Flug­si­mu­la­tor mit neu­ar­ti­gen Flug­ma­nö­vern, lässt sich so gefahr­los vor­her­sa­gen, was in einer spe­zi­el­len Situa­tion gesche­hen wird. 

„Genauso ein digi­ta­ler Zwil­ling ent­steht nun für das glo­bale Was­ser­sys­tem“, erklärt Mari­ette Vreu­g­den­hil vom Depart­ment für Geo­dä­sie und Geo­in­for­ma­tion der TU Wien. Wenn für große Gebiete räum­lich hoch­auf­ge­löste Daten zur Ver­fü­gung ste­hen, dann lässt sich mit höhe­rer Treff­si­cher­heit sagen, wel­che Effekte sich unter bestimm­ten Bedin­gun­gen zei­gen wer­den, bis hin zu Über­flu­tun­gen oder Hang­rut­schun­gen an einem ganz bestimm­ten Ort.

Auf die Auf­lö­sung kommt es an
Von beson­ders gro­ßer Bedeu­tung sind dabei Daten über die Boden­feuchte und daran forscht die TU Wien schon seit Jah­ren. Genutzt wer­den pri­mär Mess­ergeb­nisse von Radar­sa­tel­li­ten, die den Erd­bo­den rund um die Uhr unter­su­chen. Dar­aus kön­nen wich­tige Infor­ma­tio­nen über die Eigen­schaf­ten des Bodens abge­lei­tet wer­den und letzt­lich Vor­her­sa­gen erfol­gen, ob der Boden in einer bestimm­ten Gegend ange­sichts kom­men­der Regen­fälle noch wei­te­res Was­ser auf­neh­men kann oder nicht. Ent­schei­dend dafür ist aller­dings, dass man die räum­li­chen Gege­ben­hei­ten mit sehr hoher Auf­lö­sung kennt. 

„Hohe Auf­lö­sung heißt bei uns etwa : Ein Pixel pro Kilo­me­ter“, sagt Wolf­gang Wag­ner, Lei­ter des For­schungs­be­reichs Fern­erkun­dung der TU Wien. „Mit­tels KI trai­niert man mit unter­schied­li­chen Daten­sät­zen und hofft dann, auf diese Weise die Auf­lö­sung zu ver­bes­sern. Das ergibt zwar schöne Bil­der, aber ob die etwas mit der Wirk­lich­keit zu tun haben, ist oft eine andere Frage“, skiz­ziert Wag­ner. Um die Inter­pre­ta­tion der Satel­li­ten­da­ten auf ihre Rich­tig­keit hin bes­ser über­prü­fen zu kön­nen, ver­folgt die TU Wien eine andere Strategie. 

Start mit Abbil­dung der Po-Ebene in Italien
„Unser Modell arbei­tet mit stim­mi­gen phy­si­ka­li­schen For­meln“, ver­weist Wag­ner auf den Ein­satz von Machine Lear­ning, etwa für die Kali­brie­rung der Para­me­ter für die finale Berech­nung der Daten. Damit soll gesi­chert sein, dass die Berech­nung eines hoch­auf­lö­sen­den Daten­sat­zes auf bekann­ten Natur­ge­set­zen beruht und es nicht etwa zu einer Art KI-Hal­lu­zi­na­tion ohne fak­ti­sche Basis kommt.

Start war mit der Abbil­dung der Po-Ebene in Ita­lien, eine beson­ders kom­plexe Region. „Wir haben die Alpen, wir haben Schnee, der schwer zu simu­lie­ren ist, beson­ders in unre­gel­mä­ßi­gem und kom­ple­xem Gelände wie den Ber­gen. Dann gibt es das Tal mit all den mensch­li­chen Akti­vi­tä­ten von Indus­trie bis zur Bewäs­se­rung“, so Luca Brocca vom ita­lie­ni­schen NRC.

Modell für gan­zen Erdball
Das Modell soll letzt­lich auf den gan­zen Erd­ball aus­ge­dehnt und lau­fend ver­bes­sert und ver­fei­nert wer­den. Wün­schens­wer­tes Ziel wäre eine mul­ti­di­men­sio­nale Abbil­dung der Hydro­sphäre, in der aus­ge­wählte Pro­zesse mit einer räum­li­chen Auf­lö­sung in der Grö­ßen­ord­nung von zehn Metern erfasst wer­den kön­nen, also ein Com­pu­ter­mo­dell zur fina­len Ent­schei­dungs­fin­dung, das recht­zei­tig auf Gefah­ren hin­wei­sen kann und auch dazu dient, die Aus­wir­kun­gen ver­schie­de­ner mensch­li­cher Ein­griffe auf loka­ler Ebene zu erklären.

“Diese gemein­sa­men Bemü­hun­gen von Wis­sen­schaft, Raum­fahrt­be­hör­den und Ent­schei­dungs­trä­gern ver­spre­chen eine Zukunft, in der ein digi­ta­ler Zwil­ling der Erde für die Hydro­lo­gie unschätz­bare Erkennt­nisse für ein nach­hal­ti­ges Was­ser­ma­nage­ment und die Wider­stands­fä­hig­keit gegen Kata­stro­phen lie­fern”, unter­streicht Luca Brocca vom ita­lie­ni­schen Natio­nal Rese­arch Coun­cil (NRC).