Plastikabfall legt weite Wege über Meere zurück: Er treibt an der Oberfläche, sinkt unter die Wellen, verblasst, zerfällt in winzige Partikel und vermischt sich mit Algen. Während einige Stücke oben schwimmen, treiben andere weit unten im Wasser.
Solch ein vielgestaltiges Material zu verfolgen wirkt nahezu unmöglich. Neue Forschung zeigt jedoch, dass präzise Lichtmessungen – zusammen mit Sensoren aus dem All – die Erkennung von Plastik deutlich verbessern können.
Eine aktuelle Arbeit zur grossen offenen Datenbank MArine Debris hyperspectral reference Library collection (MADLib) liefert dafür eine wichtige wissenschaftliche Grundlage.
„My biggest hope is that people see remote sensing as an important and useful tool for marine debris monitoring,“ sagte die leitende Autorin der Studie, Ashley Ohall von der University of Georgia (UGA).
„Just because it hasn’t been done yet doesn’t mean it can’t be done.“
Was ist MADLib?
Unter Meeresmüll versteht man jedes feste, vom Menschen hergestellte Material, das in Wasserumgebungen zurückbleibt. In den meisten Erhebungen dominiert Plastik, weil die Produktion von Kunststoffwaren stark zugenommen hat, ohne dass passende Abfall- und Entsorgungssysteme Schritt gehalten haben.
Die Verschmutzung schadet Ökosystemen, der Fischerei, dem Tourismus und der menschlichen Gesundheit. Fernerkundung bietet die Möglichkeit, Meeresmüll über sehr grosse Gebiete hinweg zu beobachten.
Allerdings unterscheiden sich Kunststoffteile in Farbe, Grösse, Polymertyp, Form, Verwitterungsgrad und auch in den Bedingungen des Wassers. Diese Unterschiede beeinflussen, wie Licht von Oberflächen zurückgeworfen wird. Fehlen einheitliche Standards, wird es schwierig, robuste und verlässliche Erkennungssysteme aufzubauen.
Genau hier setzt MADLib an und löst einen Teil des Problems. Die Datenbank umfasst 24,889 Reflexionsspektren, die aus 3,032 Abfallproben in 13 separaten Datensätzen gewonnen wurden.
Bevor eine Messung in die Bibliothek aufgenommen wurde, wurde sie sorgfältig bereinigt, standardisiert und einer Qualitätskontrolle unterzogen.
„Detecting marine debris is the kind of incredible challenge that NASA can help solve,“ sagte die Mitautorin der Studie, Kelsey Bisson.
Licht macht den Kunststofftyp sichtbar
Die Reflexion beschreibt, wie viel Licht von einem Objekt zurückgeworfen wird. Jedes Material erzeugt über unterschiedliche Wellenlängen – vom sichtbaren Licht bis zum kurzwelligen Infrarot – ein charakteristisches Muster.
Für die Datenerhebung wurden tragbare Spektroradiometer eingesetzt, die unter kontrollierten Bedingungen messen, um Umwelteinflüsse und Störrauschen zu minimieren.
In der Datenbank sind 19 verschiedene Polymertypen enthalten; zu den häufigsten zählen Polypropylen, Polystyrol und hochdichtes Polyethylen.
Einige Kunststoffe zeigen im kurzwelligen Infrarot deutliche Absorptionsmerkmale, während andere nur feinere spektrale Muster ausprägen.
Die Farbe beeinflusst vor allem die Reflexion im sichtbaren Bereich zwischen 400 und 700 Nanometer; blaue Objekte erreichen ihr Maximum nahe 470 Nanometer.
Weisse Objekte reflektieren im gesamten sichtbaren Spektrum stark. Polymerspezifische Merkmale bleiben dagegen im Infrarot weitgehend ähnlich, selbst wenn sich die Farbe ändert.
„Humans have a visceral connection to the ocean and its health,“ sagte Bisson.
Plastik verändert sich im Laufe der Zeit
In MADLib wird der Meeresmüll in Mikro- und Makro-Grössenklassen eingeteilt. Bei einem gegebenen Polymer bleiben die zentralen Absorptionsmerkmale im Infrarot über die Grössen hinweg konsistent.
Was sich hingegen verschiebt, ist die Stärke der Gesamtsignatur: Die Grösse beeinflusst also eher die Signalhöhe als die Lage der spektralen Merkmale.
Auch Verwitterung ist relevant. Die Proben werden als unversehrt (pristine), im Labor verwittert oder natürlich verwittert kategorisiert. Eine Laborbehandlung mit ultravioletter Strahlung kann die Reflexion in einigen Infrarotbereichen erhöhen.
Biofouling – also die Besiedlung von Plastik durch Algen und Mikroorganismen – senkt die Reflexion im sichtbaren Bereich und fügt ein Chlorophyll-Absorptionsmerkmal nahe 670 Nanometer hinzu.
Trotz dieses Aufwuchses bleiben die grundlegenden Polymersignaturen im Infrarot jedoch stabil.
Ozeanplastik im Wasser aufspüren
Sobald Wasser ins Spiel kommt, ändern sich die Bedingungen grundlegend. In der Datenbank werden Proben daher als trocken, nass, schwimmend oder untergetaucht getrennt erfasst.
Mit zunehmendem Wassereinfluss nimmt die Reflexion ab. Untergetauchte Objekte verlieren besonders viel Infrarotsignal, weil Wasser in diesem Bereich stark absorbiert.
Untergetauchtes Plastik zeigt besondere Peaks nahe 810 und 1070 Nanometer, wobei das Signal mit zunehmender Tiefe schwächer wird.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass für schwimmenden im Vergleich zu untergetauchtem Müll unterschiedliche Erkennungsalgorithmen nötig sein könnten. Für schwimmende oder trockene Teile liefert das kurzwellige Infrarot besonders starke, polymerspezifische Informationen.
Die Bedeutung von Metadaten
Für eine zuverlässige Erkennung reicht es nicht, nur Reflexions-Muster zu betrachten. Ebenso entscheidend sind detaillierte Hintergrundinformationen zu jeder Probe.
MADLib enthält Metadaten wie Polymertyp, Objekttyp, Objektzustand, Farbklasse, Grösse, Verwitterungszustand, Wasserzustand sowie das jeweilige Mess-Setup.
Das Forschungsteam empfiehlt, dass künftige Studien noch mehr Details dokumentieren. Angaben zu Zusatzstoffen aus der Kunststoffherstellung, zum Grad der Verwitterung und zu den exakten Messbedingungen können die Leistung von Algorithmen verbessern.
Klare Metadaten erleichtern ausserdem den Vergleich zwischen Studien und helfen dabei, belastbarere Erkennungssysteme zu entwickeln.
Plastik aus dem All erkennen
Die Studie macht auch Lücken in der Datenabdeckung sichtbar: Bestimmte Polymere und Farben sind weiterhin unterrepräsentiert. Schwimmender Müll – den Satelliten grundsätzlich leichter erfassen können – ist in der Datenbank seltener vertreten.
Die Forschenden sprechen sich daher für mehr Messungen schwimmender Kunststoffe und eine grössere Bandbreite an Abfalltypen aus, um die Algorithmen zu stärken. Standardisierte Spektralbibliotheken unterstützen Machine-Learning-Ansätze, Satellitenmissionen und Ozean-Modelle.
Plastikverschmutzung verteilt sich über Ozeane im planetaren Massstab. Weltraumsensoren wie EMIT – kombiniert mit detaillierten Spektralbibliotheken wie MADLib – bringen die Forschung näher an das Ziel, Abfälle vom Ursprung bis zur Küste nachzuverfolgen.
Bessere Daten ermöglichen gezieltere Aufräumaktionen, wirksamere Politik und gesündere Meere für kommende Generationen.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Earth System Science Data veröffentlicht.
-–
Hat Ihnen der Beitrag gefallen? Abonnieren Sie unseren Newsletter für fesselnde Artikel, exklusive Inhalte und die neuesten Updates.
Schauen Sie auch bei EarthSnap vorbei – einer kostenlosen App von Eric Ralls und Earth.com.
-–
Kommentare
Noch keine Kommentare. Sei der Erste!
Kommentar hinterlassen