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Bildverarbeitung in den Umweltwissenschaften

Bildverarbeitung in den Umweltwissenschaften

Der Ozean im Labor

Bilder für die Wissenschaft

Seit ihrem Entstehen bedient sich die Wissenschaft der Bilder, um ihre Beobachtungen und Ergebnisse festzuhalten – anfänglich in Form von Zeichnungen. Die erste Revolution im Umgang mit Bildern war die Erfindung der Fotografie. Damit konnte bildhafte Information exakt festgehalten werden. Allerdings hatte die mühsame manuelle Auswertung eine quantitative Analyse von Bildmaterial weitgehend verhindert. Dennoch führte dies schon zur Entdeckung zahlreicher neuer Phänomene. Heute erleben wir eine zweite Revolution im Umgang mit Bildern: Moderne digitale Kameras und Computer erlauben es, Bilder digital zu erfassen und quantitativ auszuwerten. Die Bildverarbeitung ist aus keiner quantitativen Wissenschaft mehr wegzudenken. Es ist das Mittel geworden, komplexe zeitlich und räumlich variierende Prozesse zu erfassen und quantitativ zu analysieren. Bilder werden mit den unterschiedlichsten Verfahren und in allen Skalen gewonnen: von den Satelliten in der Erdumlaufbahn bis hin zu den vielfältigen mikroskopischen Techniken. Dann haben aber alle Anwender unabhängig von der Aufnahmetechnik das gleiche Problem: Es müssen Methoden zur quantitativen Auswertung der gewonnenen Bilder entwickelt werden. Welche Möglichkeiten bildaufnehmende Messtechniken eröffnen, soll beispielhaft in dem Artikel mit einem Teilgebiet aus den Umweltwissenschaften beschrieben werden, der Untersuchung der Austauschprozesse zwischen der Atmosphäre und den Weltmeeren.

Wie kommt das Kohlendioxid ins Meer?

Ausgangspunkt unserer Forschung war die Frage, wie das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre gelangte Kohlendioxid in die Weltmeere gelangt. Bei meinen amerikanischen Kollegen habe ich dafür den Spitznamen „Top-Millimeter Man“ bekommen. Das drückt treffend das Grundproblem unserer Arbeiten aus: In der Atmosphäre und im Ozean wird das Kohlendioxid schnell durch turbulente Strömungen vermischt. Je näher man an die Meeresoberfläche kommt, desto weniger effektiv kann die turbulente Durchmischung sein. Schließlich ist sie so gering, dass die Moleküle nur noch durch ihre thermische Eigenbewegung weiterkommen. Diesen Prozess nennt man molekulare Diffusion und dieser ist im Wasser etwa vier Größenordnungen langsamer als in der Luft. Daher liegt der Flaschenhals für den Transport von Kohlendioxid ins Meer in einer dünnen Grenzschicht im Wasser an der Meeresoberfläche, die nur zwischen 30 und 300 ?m dick ist. Dort finden sich die stärksten Konzentrationsgradienten, dort muss die kleine Restturbulenz in der Strömung gemessen werden.

Berührungslose Messtechniken

Wie kann man aber in einer so dünnen Schicht Messungen machen, zumal diese durch die vom Wind erzeugten Wasserwellen ständig um viel größere Strecken auf und ab bewegt werden? Das geht nur noch berührungslos. Das heißt, man muss zuerst Visualisierungstechniken entwickeln, mit denen man alle Messgrößen, die von Bedeutung sind, mit geeigneten Verfahren in eine Helligkeit umsetzen kann und dann mittels Bildverarbeitung ausgewertet werden. Für unseren Forschungsbereich sind vor allem vier Größen von Bedeutung:

- Die Form der Wasseroberfläche, sprich eine Vermessung der Wasserwellen. Der Wind bringt in die Wellen Energie ein, die durch Brechen der Wellen wieder in turbulente Energie umgesetzt werden kann, dadurch die Durchmischung verbessert und so den Gasaustausch erhöht.

- Die durch brechende Wellen ins Wasser geschlagenen Blasen: Diese bilden eine zusätzliche Austauschfläche, sodass damit auch eine sehr starke Erhöhung des Gasaustausches verbunden sein kann. Was man wissen muss, ist die Konzentration der Blasen (Blasenanzahl pro Radius und Volumen) und die Verweildauer der Blasen im Wasser.

- Die Strömung unmittelbar über und unter der Wasseroberfläche. Das ist besonders schwierig, da eine volumenhafte Messung notwendig ist. Man muss die drei Geschwindigkeitskomponenten des Strömungsfeldes in Abhängigkeit von der Distanz zur Wasseroberfläche messen.

- Die Konzentrationsfelder der gelösten Gase in der Grenzschicht. Auch hier sind eigentlich dreidimensionale Messungen notwendig.

Das Heidelberger Aeolotron: der Ozean im Labor

Es ist offensichtlich, dass die genannten Messtechniken sich nur sehr schwer im Feld einsetzen lassen. Daher muss der Ozean ins Labor gebracht werden. Das Glück dabei ist, dass die Grenzschichten so dünn sind. Dennoch müssen die Versuchseinrichtungen groß genug sein, damit einigermaßen realistische Wellen durch den über der Wasseroberfläche blasenden Wind erzeugt werden können. Dafür gibt es im Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg seit 1999 eine weltweit einmalige Versuchseinrichtung, das nach dem griechischen Gott Aeolus benannte „Aeolotron“ (Windschleuder). In einer ringförmigen Rinne bläst der Wind, angetrieben durch zwei große Axialventilatoren, im Kreis. Durch die kreisförmige Geometrie bauen sich die Wellen so lange auf, bis die durch den Wind eingetragene Energie mit der dissipierten im Gleichgewicht steht. Das ist in den konventionellen linearen Kanälen nicht möglich, da der Wind nur eine kurze Strecke weht und dann schon am Ende des Kanals angekommen ist.

Aktuelle Forschungsfragen

Von den aktuellen Forschungsfragen seien zwei herausgegriffen. Es hat sich gezeigt, dass monomolekulare Oberflächenfilme den Gasaustausch signifikant reduzieren können. Das Überraschende ist, dass diese keinen direkten zusätzlichen Widerstand bilden, sondern die Wellenbildung dämpfen und damit die Turbulenz vermindern. Die Details sind noch unklar und es fehlt eine quantitative Modellierung. Dieses Phänomen zeigt aber klar, dass man in den Umweltwissenschaften interdisziplinär vorgehen muss und physikalische, chemische (und auch biologische) Prozesse nicht voneinander getrennt betrachten darf. Die Erforschung des Gasaustausches hat sich über die letzten Jahrzehnte weitgehend auf die wenig löslichen, aber klimarelevanten Gase wie Kohlendioxid, Methan, Distickstoffmonoxid und Fluorchlorkohlenwasserstoffe konzentriert. In jüngster Zeit ist aber der Austausch moderat bis gut in Wasser löslicher flüchtiger Stoffe in den Fokus gekommen. Es gibt eine Vielzahl solcher umweltrelevanten Stoffe, darunter Dimethylsulfid (DMS), Acetaldehyde, Aceton und Methanol. Wie deren Transport zwischen der Atmosphäre und Gewässern funktioniert, ist kaum experimentell untersucht und die Modellierung für den Transport dieser Spurenstoffe steckt noch in den Anfängen.

Von der Umweltphysik zu industriellen Anwendungen

Bei allen Entwicklungen von Bildaufnahmeverfahren und -auswertungsverfahren stellt sich die Frage, wie spezifisch diese sind bzw. wie leicht es möglich ist, diese in andere Anwendungsgebiete zu übertragen. Zu unserer eigenen Überraschung haben sich industrielle Anwendungen aus den für die Umweltphysik entwickelten Verfahren zwanglos ergeben. Dazu ein Beispiel. An uns wurde aus der Industrie die Frage herangetragen, wie man Zellen direkt in einem Bioreaktor mit einem an den Reaktor angeflanschten Mikroskop zählen kann. Das Problem dabei ist, dass dann kein Messvolumen definiert ist und im Bildausschnitt scharfe und unscharfe Zellen nebeneinander erscheinen. Genau dieses Problem hatte wir auch bei der Messung der Größe und Konzentration von durch brechende Wellen ins Wasser geschlagenen Gasblasen. Dafür hatten wir ein Verfahren entwickelt, das die Unschärfe quantitativ erfasst, um damit sowohl den Abstand der Zelle von der Schärfeebene zu bestimmen als auch aus dem unscharf abgebildeten Teilchen auf dessen tatsächlichen Durchmesser und Größe zu schließen. Dieses Verfahren konnten wir direkt auf das Zählen von Zellen im Bioreaktor erfolgreich übertragen. Dieses Schlüsselerlebnis hat langfristig dazu geführt, dass wir in dem 2008 gegründeten Heidelberg Collaboratory for Imaging Processing (HCI) mit fünf Industriepartnern gemeinsam an grundlegenden Problemen der Bildanalyse arbeiten. Die Anwendungen umfassen mit hohen Synergieeffekten unter anderem die industrielle Qualitätskontrolle, Fahrerassistenzsysteme, die Medizin, Biologie und die Umweltwissenschaften. Das HCI ist mit mehr als 80 Mitarbeitern das größte Bildverarbeitungszentrum in Deutschland.

bernd.jaehne@iwr.uni-heidelberg.de

Foto: © Prof. Dr. Bernd Jähne

L&M 1 / 2011

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe L&M 1 / 2011.
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