Kunststoffabfälle wandern über Meere, sinken unter die Wellen, verfärben sich, zerfallen in winzige Partikel und vermischen sich mit Algen. Während einige Teile an der Oberfläche treiben, driften andere tief unter Wasser.
Die Verfolgung eines derart komplexen Materials klingt beinahe unmöglich. Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass präzise Lichtmessungen in Verbindung mit Sensoren im All die Erkennung von Kunststoff verbessern können.
Eine aktuelle Untersuchung der umfangreichen frei zugänglichen Datenbank MArine Debris hyperspectral reference Library collection, kurz MADLib, liefert wichtige wissenschaftliche Grundlagen für die Kunststofferkennung.
„Meine größte Hoffnung ist, dass Menschen die Fernerkundung als wichtiges und nützliches Werkzeug für die Überwachung von Meeresmüll ansehen“, sagte Ashley Ohall von der University of Georgia (UGA), Hauptautorin der Studie.
„Nur weil es bislang nicht getan wurde, heißt das nicht, dass es nicht möglich ist.“
Was ist MADLib?
Meeresmüll umfasst jedes feste, vom Menschen hergestellte Material, das in Gewässern zurückbleibt. Bei den meisten Erhebungen dominiert Kunststoff, da die Produktion von Kunststoffwaren rasch zugenommen hat, ohne dass angemessene Entsorgungssysteme aufgebaut wurden.
Die Verschmutzung schadet Ökosystemen, der Fischerei, dem Tourismus und der menschlichen Gesundheit. Mit Fernerkundung lässt sich Müll über große Flächen hinweg beobachten.
Kunststoffteile unterscheiden sich allerdings in Farbe, Größe, Polymertyp, Form, Verwitterungsgrad und den jeweiligen Wasserbedingungen. Diese Unterschiede verändern, wie Licht von den Oberflächen reflektiert wird. Ohne einheitliche Verfahren ist es schwierig, verlässliche Erkennungssysteme zu entwickeln.
MADLib löst einen Teil dieses Problems. Die Datenbank enthält 24,889 Reflexionsspektren von 3,032 Abfallproben aus 13 unterschiedlichen Datensätzen.
Jede Messung wurde sorgfältig bereinigt, standardisiert und qualitätsgeprüft, bevor sie in die Bibliothek aufgenommen wurde.
„Die Erkennung von Meeresmüll ist die Art von außergewöhnlicher Herausforderung, bei deren Lösung die NASA helfen kann“, sagte die Mitautorin der Studie, Kelsey Bisson.
Licht macht den Kunststofftyp sichtbar
Die Reflexion gibt an, wie viel Licht von einem Objekt zurückgeworfen wird. Jedes Material erzeugt über Wellenlängen vom sichtbaren Licht bis zum kurzwelligen Infrarot ein eigenes Muster.
Tragbare Spektroradiometer erfassten die Messwerte unter kontrollierten Bedingungen, um Störeinflüsse aus der Umgebung zu verringern.
Die Datenbank umfasst 19 verschiedene Polymertypen; zu den häufigsten gehören Polypropylen, Polystyrol und hochdichtes Polyethylen.
Einige Kunststoffe weisen im kurzwelligen Infrarotbereich ausgeprägte Absorptionsmerkmale auf, andere erzeugen weniger auffällige Spektralmuster.
Die Farbe verändert vor allem die Reflexion im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 Nanometern; blaue Objekte erreichen ihr Maximum bei etwa 470 Nanometern.
Weiße Objekte reflektieren im gesamten sichtbaren Bereich stark. Polymerbezogene Merkmale im Infrarot bleiben dagegen ähnlich, selbst wenn sich die Farbe ändert.
„Menschen haben eine unmittelbare Verbindung zum Ozean und zu seiner Gesundheit“, sagte Bisson.
Kunststoff verändert sich im Lauf der Zeit
Die Datenbank teilt Abfälle in Mikro- und Makrogrößenklassen ein. Bei einem bestimmten Polymer bleiben zentrale Absorptionsmerkmale im Infrarot über alle Größen hinweg konsistent.
Verändert wird hingegen die allgemeine Stärke der Reflexion: Die Größe beeinflusst somit eher die Signalamplitude als die Lage der Spektralmerkmale.
Auch die Verwitterung ist relevant. Die Proben werden als unberührt, im Labor verwittert oder natürlich verwittert eingestuft. Eine Laborbestrahlung mit ultravioletter Strahlung erhöht die Reflexion in einigen Infrarotbereichen.
Biofouling – die Ansammlung von Algen und Mikroorganismen auf Kunststoff – verringert die Reflexion im sichtbaren Bereich und führt zu einem Chlorophyll-Absorptionsmerkmal bei etwa 670 Nanometern.
Trotz dieses Bewuchses an der Oberfläche bleiben die grundlegenden Polymersignaturen im Infrarot stabil.
Kunststoff im Wasser der Ozeane verfolgen
Wasser verändert alles. Die Datenbank unterscheidet zwischen trockenen, nassen, schwimmenden und untergetauchten Proben.
Mit zunehmendem Einfluss des Wassers nimmt die Reflexion ab. Untergetauchte Objekte verlieren einen Großteil ihres Infrarotsignals, weil Wasser in diesem Bereich stark absorbiert.
Untergetauchter Kunststoff zeigt besondere Peaks bei etwa 810 und 1070 Nanometern; mit zunehmender Tiefe wird das Signal schwächer.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass für schwimmenden und untergetauchten Abfall separate Erkennungsalgorithmen nötig sein könnten. Bei schwimmendem oder trockenem Abfall liefert das kurzwellige Infrarot aussagekräftige polymerspezifische Informationen.
Die Bedeutung von Metadaten
Eine präzise Erkennung hängt nicht allein von Reflexionsmustern ab. Entscheidend sind ebenso detaillierte Hintergrundinformationen zu jeder Probe.
MADLib enthält Metadaten wie Polymertyp, Objekttyp, Objektzustand, Farbkategorie, Größe, Verwitterungszustand, Zustand im Wasser und Messaufbau.
Die Forschenden empfehlen, dass künftige Studien noch mehr Einzelheiten erfassen. Angaben zu Zusatzstoffen aus der Kunststoffherstellung, zum Grad der Verwitterung und zu den exakten Messbedingungen können die Leistung von Algorithmen verbessern.
Eindeutige Metadaten erleichtern Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern den Vergleich von Ergebnissen verschiedener Studien und den Aufbau robusterer Erkennungssysteme.
Kunststofferkennung aus dem All
Die Studie zeigt Lücken in der Datenabdeckung auf. Einige Polymere und Farben sind weiterhin unterrepräsentiert. Schwimmender Abfall, den Satelliten leichter erfassen können, kommt in der Datenbank seltener vor.
Die Forschenden plädieren für mehr Messungen schwimmender Kunststoffe sowie für eine größere Vielfalt an Abfalltypen, um leistungsfähigere Algorithmen zu entwickeln. Standardisierte Spektralbibliotheken unterstützen Werkzeuge des maschinellen Lernens, Satellitenmissionen und Ozeanmodelle.
Kunststoffverschmutzung breitet sich in planetarem Maßstab über die Ozeane aus. Weltraumsensoren wie EMIT bringen die Forschung zusammen mit detaillierten Spektralbibliotheken wie MADLib dem Ziel näher, Abfall von seiner Quelle bis zur Küste nachzuverfolgen.
Bessere Daten ermöglichen intelligentere Säuberungsmaßnahmen, wirksamere politische Vorgaben und gesündere Meere für künftige Generationen.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Earth System Science Data veröffentlicht.
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