Das Unterwasser-Beobachter-Problem
Als ersten Schritt, um das in ihrer Studie zu belegen, musste das Team um Yu Tao eine geeignete Unterwasser-Drohne in ein wissenschaftliches Instrument verwandeln. Dabei standen sie vor einem bekannten Problem: Wie würden sie einen physikalischen Gegenstand messen, ohne durch das Beobachten die Messung zu verzerren?
Konkret ging es in ihrem Fall um die Zusammensetzung des Wassers, das sie auf Spuren einer entstehenden Algenblüte untersuchten. Das Team musste einen Weg finden, zuverlässig Proben des Gewässers zu entnehmen. Dazu musste es vermeiden, dass die Bewegung des Roboters die Daten verfälscht, weil sie verschiedene Volumen des Gewässers vermischt.
Rettung durch abstrakte Formeln
Yu Taos Team setzte daher auf numerische Strömungsdynamik: ein mathematisch anspruchsvolles Teilgebiet der Physik. Die Forscher modellierten, wie der Schraubenstrahl ihrer Drohne das Wasser vermengte. Nach einigen Versuchen konnten sie einzelne Volumen des Gewässers beinahe so rekonstruieren, als ob ihr Roboter nie durchgeschwommen wäre.
Außerdem definierten die Forscher eine Route durch das Gankeng Reservoir, so dass die Drohne immer möglichst ungestörte Volumen des Gewässers messen konnte. Dazu gaben sie ihr ein Raster vor und Zeitpunkte, wann sie Proben entnahm.
Vorerst steuerte das Team die Drohne vom Ufer aus. Aber mit einer vorgegebenen Route konnte ihr System ein Gewässer "mit einer Auflösung von Metern, dreimal täglich für Monate" patrouillieren. So konnten sie die Daten erfassen, die uns einen empirischen Einblick in die Entstehung von Algenblüten in freier Wildbahn verschaffen.
Millionen Datenpunkte für ein neues Verständnis
Das Projekt, sagt Yu Tao, habe "unser Verständnis der Dynamiken von Gewässern verändert" . Anhand von 2,8 Millionen Datenpunkten konnte das Team darstellen, wie einzelne Algenfahnen aus dem aufgewühlten Sediment am Boden des Gewässers aufstiegen und an der Oberfläche zu Algenblüten wurden.
Die Forscher entdeckten, dass Gebiete am Boden des Reservoirs den Algen einen noch unterschiedlicheren Nährboden boten, als sie dachten. Äußere Ereignisse, wie starke Regenfälle, schafften dann wahrscheinlich die Voraussetzung für eine Algenblüte, indem sie diese Nährstoffe aufwühlen.
Außerdem setzen sie die ersten Algen frei. Während die Algen sich vermehren, steigen sie als zusammenhängende "Wolke" im Gewässer auf, bis sie die Oberfläche erreichen und sich dort rasch ausbreiten.
Im Labor und in kleinen Feldstudien habe man das seit Jahren so gesehen, sagt Yu Tao. Aber sein Team habe das zum ersten Mal in einer flächendeckenden Studie in der Natur dokumentiert.
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