Fotos vom Feld: Spionage antarktischer Moose mit Drohnen, MossCam, intelligenten Sensoren und KI

Apr 13, 2023

Der antarktische Kontinent beschwört Visionen von weißem Eis und blauem Himmel herauf. Doch nicht weit von der australischen Casey Station, 3.880 km südlich von Perth, tauchen üppig grüne Moosbeete auf.

Leider verschlechtert sich die Gesundheit dieser Moosbeete aufgrund veränderter Klimabedingungen, Ozonabbau und Hitzewellen. Dennoch ist unser Verständnis des Problems begrenzt. Die Durchführung von Forschungen in der Antarktis ist schwierig. Die Zeiträume der Datenerhebung sind kurz und zwischen den einzelnen Forschungsmöglichkeiten können Jahre liegen. Glücklicherweise bieten neue Technologien Lösungen.

Im Dezember 2022 reisten wir zur Casey Station. Wir verbrachten zwei Monate vor Ort und kombinierten unsere Fähigkeiten in Biologie, Drohnenflug, Programmierung und künstlicher Intelligenz, um mehr über das Moos zu erfahren und bessere Möglichkeiten zur Fernüberwachung biologischer Veränderungen zu finden.

Wir haben große Moosbeete kartiert und ein neues Sensorsystem getestet, das das ganze Jahr über kontinuierlich Moosdaten liefern kann. Während diese Forschung noch im Gange ist, freuen wir uns, die ersten Ergebnisse hier mit Ihnen zu teilen.

Weiterlesen: Eine epische globale Studie über Moos zeigt, dass es für die Ökosysteme der Erde weitaus wichtiger ist, als wir wussten

Pflanzen brauchen Sonnenlicht, Wärme und flüssiges Wasser. Antarktische Pflanzen sind monatelang mit Dunkelheit, eisigen Temperaturen und Dürre durch gefrorenes Wasser konfrontiert – aber Moose haben sich an diese lebensfeindliche Umgebung angepasst.

Moos ist die vorherrschende Pflanzenwelt in der Antarktis. Es bietet Lebensraum für Wirbellose, Mikroben und Pilze, die mehr als 99 % der Landbiodiversität der Antarktis ausmachen. Die Moosbeete ähneln Miniaturwäldern voller Leben.

Antarktisches Moos schafft sein eigenes warmes Mikroklima, indem es Pigmente verwendet, um Sonnenlicht zu absorbieren. Diese Wärme unterstützt die Photosynthese und hilft den Moosen, Schnee zu schmelzen, um flüssiges Wasser zu erhalten. Die winzigen Hügel und Täler über den Moosbeeten bestimmen die Lichtmenge, die Moose erhalten, und sorgen für Unterschiede in ihrem Mikroklima und ihrer Gesundheit.

Sobald wir das Moos erreicht hatten, balancierten wir vorsichtig auf Felsen, um Proben zu nehmen und Datenlogger zu platzieren. Diese bestanden aus vier Sensoren, die die Kronentemperaturen an verschiedenen Positionen im Moosbett maßen. Wir haben auch die Photosynthese gemessen und Moosproben zur Pigmentanalyse gesammelt, die Aufschluss über Gesundheit und Stress gibt.

Das Foto unten zeigt ein Moosbett mit unserer daran befestigten Ausrüstung. Zu sehen sind die komplexe Mikrotopographie und ein Mosaik aus gesunden und gestressten Moosen. Gesundes Moos ist grün und samtig. Gestresste Moose sind rot und werden schließlich grau.

Moose, die nur wenige Zentimeter voneinander entfernt wachsen, können sehr unterschiedliche Mikroklimas erleben. Auf dem Foto unten hatten sich einige Moose auf bis zu 19℃ erwärmt (neben der roten Markierung), während das Moos nur etwa 30 cm entfernt eine Temperatur von 0,6℃ hatte (neben der weißen Markierung).

Durch das Sammeln dieser Daten können wir Zusammenhänge zwischen der physikalischen Struktur der Moosbeete, dem Mikroklima und Indikatoren für die Moosgesundheit untersuchen.

Weiterlesen: Die „Mooswälder“ der Antarktis trocknen und sterben

Während unseres Aufenthalts in der Antarktis haben wir auch den ersten Prototyp einer intelligenten, autonomen Langzeit-Erkundungsplattform getestet. Es bietet Wissenschaftlern mehr Informationen als frühere Datenerfassungsgeräte, da es Daten über einen längeren Zeitraum außerhalb der regulären Feldkampagnen im Sommer, einschließlich der Winterzeit, sammeln und übertragen kann.

Der Prototyp überwachte anderthalb Monate lang das Moosbett in der Nähe der Casey Station. Seine Sensoren erfassten die Lichtintensität, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft, die Temperatur des Moosdachs und schließlich den Energieaustausch zwischen Boden und Luft. Eine Webcam mit dem liebevollen Spitznamen „MossCam“ hat regelmäßig Bilder des Moosbetts aufgenommen.

Außerdem haben wir in der Antarktis die erste Antenne für das drahtlose LoRaWAN-Netzwerk installiert. Dieses Netzwerk ist stromsparend, hat eine große Reichweite und ist kostenlos nutzbar. Dadurch konnten wir Daten nahezu in Echtzeit nach Australien zurücksenden und auf einem Website-Dashboard anzeigen, das nur für Australier sichtbar ist.

Nach einigen frühen Fehlerbehebungen schnitt die Plattform besser ab als erwartet. Wir haben es am Ende der Saison mit nach Hause genommen, um es in der nächsten Saison weiter zu verfeinern und einzusetzen.

Wir haben Drohnen auf 25 Flügen geschickt und dabei Daten aus zwei besonders geschützten Gebieten der Antarktis (ASPAs 135 und 136) gesammelt.

Der Einsatz von Drohnen in der Antarktis stellt erhebliche Herausforderungen dar. Die Nähe zum Magnetpol stört die GPS-Navigation und starke Winde erschweren das Fliegen. Starke Kälte verkürzt die Batterielebensdauer – und belastet auch die Finger des Bedieners. Wir haben Drohnen mit RTK (Echtzeitkinematik, eine Technik zur Eliminierung von Positionsfehlern), GPS, mehreren Redundanzen und Batteriewärmern angepasst, um ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Bedingungen zu erhöhen.

Unsere Drohnen könnten bei jedem Flug 5.000 bis 10.000 Bilder aufnehmen. Außerdem waren sie mit Hightech-Sensoren ausgestattet. Diese Sensoren sind so programmiert, dass sie „spektrale Signaturen“ aufzeichnen. Mit diesem Begriff beschreiben wir eine Art optische Identität oder visuelle „DNA“, die Landschaftsmerkmale wie Moos, Felsen und Schnee im Bild unterscheidet.

Diese Bilder werden zusammengefügt und ihren Bodenkoordinaten zugeordnet. Mithilfe von maschinellem Lernen werden wir ein Modell trainieren, um Vegetation, einschließlich Moos, Flechten und Cyanobakterien, zu identifizieren. Wir werden außerdem Vegetations- und Hydrologiekarten, 3D-Flugpläne und Virtual-Reality-Erlebnisse entwickeln, um die Entscheidungsfindung in Bezug auf Naturschutz und Management zu unterstützen.

Weiterlesen: Drohnen helfen Wissenschaftlern, den Gesundheitszustand antarktischer Moose zu überprüfen und Hinweise auf den Klimawandel zu finden

Während wir arbeiteten, kamen oft neugierige Pinguine vorbei, um zu sehen, was wir taten. Freundschaften mit diesen Einheimischen zu schließen war immer der Höhepunkt des Tages.

Aber nach ein paar fantastischen Monaten auf dem Feld war es Zeit zu packen und nach Hause zu fahren. Auf der 60 km langen Reise landeinwärts zum Wilkins Aerodrome wagten wir uns in den Polarkreis. Wir warteten bei -20 °C, um die Landung unseres Flugzeugs auf der Landebahn aus blauem Eis zu beobachten, bevor wir an Bord gingen und nach Tasmanien zurückflogen. Dort fühlte es sich an, als wären wir gerade aus einem Traum erwacht.

Unser Antarktis-Abenteuer war vorbei, aber wir waren alle so dankbar für die Erfahrung.

Jetzt untersuchen wir die Daten, um zu sehen, welche Geschichten sie erzählen können, und entwickeln gleichzeitig unsere Moos-Sensorplattform weiter. Wir hoffen, Ende des Jahres in die Antarktis zurückkehren zu können, um es dort einzusetzen.

Die Autoren reisten im Rahmen der Sonderforschungsinitiative „Securing Antarctica's Environmental Future“ (SAEF) des Australian Research Council zur Casey Station.

Weiterlesen: Widerstandsfähigkeit hat Grenzen: Über 1.100 Arten leben in der Antarktis – doch sie sind durch menschliche Aktivitäten gefährdet

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von The Conversation, dem weltweit führenden Herausgeber forschungsbasierter Nachrichten und Analysen. Eine einzigartige Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Journalisten. Es wurde geschrieben von: Johan Barthélemy, University of Wollongong; Barbara Bollard, Auckland University of Technology; Juan Sandino, Queensland University of Technology, und Krystal Randall, University of Wollongong.

Mehr lesen:

Die geheime Welt des Mooses, uralter Vorfahre aller Pflanzen und lebenswichtig für die Gesundheit des Planeten

Die Alarmglocken in der Antarktis schrillen: Beobachtungen zeigen, dass die Tiefseeströmungen früher als vorhergesagt nachlassen

Dr. Johan Barthélemy erhielt Fördermittel von Securing Antarctica's Environmental Future (SAEF), einer Sonderforschungsinitiative des Australian Research Council. Derzeit arbeitet er bei NVIDIA.

Barbara Bollard erhält Fördermittel von Securing Antarctica's Environmental Future (SAEF), einer Sonderforschungsinitiative (SRI) des Australian Research Council (ARC).

Juan Sandino ist Mitglied des QUT Centre for Robotics (QCR) in Australien und erhält Fördermittel von Securing Antarctica's Environmental Future (SAEF), einer Sonderforschungsinitiative (SRI) des Australian Research Council (ARC).

Dr. Krystal Randall ist dem Center for Sustainable Ecosystem Solutions (CSES) an der School of Earth, Atmospheric and Life Sciences der University of Wollongong (UOW) angeschlossen. Krystal erhielt zuvor Mittel von der Antarctic Science Foundation und erhält derzeit Mittel von Securing Antarctica's Environmental Future (SAEF), einer Sonderforschungsinitiative (SRI) des Australian Research Council (ARC).