Wildfeuermonitoring

Wildfeuer (engl. wildfire), auch 'Vegetationsbrände' sind eine spezielle Art von Bränden (Schadfeuern). Es handelt sich um unkontrollierte Feuer, die in der wilden Vegetation brennen, oft in ländlichen Gebieten. Der Begriff ist verschiedentlich differenzierbar. So kann man Vegetationsbrand als Oberbegriff verstehen für Flurbrände und Waldbrände.

Wildfeuer bzw. Vegetationsbrände entstehen in Wäldern, Grasland, Savannen und anderen Ökosystemen, und das schon seit Hunderten von Millionen Jahren. Sie sind nicht auf einen bestimmten Kontinent oder eine bestimmte Umgebung beschränkt.

Wildfeuer können in der Vegetation sowohl im als auch über dem Boden entstehen. Bodenbrände entzünden sich in der Regel in Böden mit viel organischem Material, das die Flammen nähren kann, etwa Pflanzenwurzeln oder Torf (z.B. Indonesien). Bodenbrände können lange schwelen - sogar eine ganze Saison - bis die Bedingungen für ein Oberflächen- oder Kronenfeuer gegeben sind. Oberflächenbrände hingegen brennen in toter oder trockener Vegetation, die knapp über dem Boden liegt oder wächst. Ausgedörrtes Gras oder heruntergefallenes Laub begünstigen oft Flächenbrände. Kronenbrände brennen in den Blättern und Baumkronen von Bäumen und Sträuchern.

Die Häufigkeit und Intensität von Vegetationsbränden haben aufgrund der Veränderungen des Erdklimas in den letzten Jahren weltweit zugenommen, sodass jährlich fast 4,3 Millionen Quadratkilometer verbrennen. Obwohl Vegetationsbrände ein natürliches Phänomen sind und eine wichtige ökologische Funktion haben, kann dieses ungewöhnlich häufige Auftreten in vielerlei Hinsicht außerordentlich schädlich sein. Am auffälligsten ist vielleicht die direkte Gefahr für Menschenleben durch unkontrollierte Brände, während weitere Schäden ökologische, kulturelle oder wirtschaftliche Verluste umfassen können. Besonders besorgniserregend sind die Auswirkungen unkontrollierter Wildfeuer auf das Klima, da diese Brände erhebliche Rauchmengen freisetzen können.

Überwachung von Wildfeuern

Eine sorgfältige Überwachung von Vegetationsbränden ermöglicht wirksame Katastrophenschutzmaßnahmen, mit denen die damit verbundenen Verluste minimiert oder vermieden werden können. So lassen sich beispielsweise anhand von Daten zur Topographie, zum Klima, zum Wind und zum Vorhandensein von Bränden abschätzen, wohin sich ein aktiver Brand ausbreiten wird und mit welcher Geschwindigkeit, sodass gefährdete Siedlungen evakuiert und ihre Bewohner in Sicherheit gebracht werden können. Darüber hinaus können Brandkartierung und -überwachung eine genauere Modellierung des Klimawandels ermöglichen. Die Überwachung von Bränden ist jedoch eine schwierige Aufgabe. In der Vergangenheit wurden an einigen Orten Feuerwächter eingesetzt, die in strategisch günstig gelegenen, erhöhten Gebäuden lebten und nach Bränden Ausschau hielten, um bei Sichtung die Rettungsdienste zu alarmieren. Feuerwächter sind nach wie vor wichtig, um Brände zu entdecken und die Löschmaßnahmen zu leiten, unterliegen jedoch erheblichen Einschränkungen, wie z. B. einem begrenzten Sichtradius.

Wildfeuer werden inzwischen mithilfe einer Kombination aus satellitengestützten Sensoren, Luftsystemen wie Flugzeugen und Drohnen sowie bodengestützten Sensoren überwacht, die verschiedene Technologien nutzen.

Diese Systeme erkennen z.B. Wärmesignaturen, um Hotspots zu identifizieren, die Größe und Ausbreitung eines Feuers zu verfolgen und brandrelevante Wetterbedingungen zu analysieren. Künstliche Intelligenz (KI) wird zunehmend eingesetzt, um die riesigen Datenmengen zu analysieren, die diese Systeme generieren.

Relevante Monitoringmethoden und -systeme (Übersicht)

Satellitenüberwachung	Satelliten verwenden Sensoren, die Infrarotstrahlung von Wärmequellen erkennen und so aktive Brände und „Hotspots“ identifizieren können. Sie können Informationen über den Ort, die Größe, die Temperatur und die Leistungsabgabe eines Brandes liefern, selbst in abgelegenen oder schwer erreichbaren Gebieten. Diese Sensoren können manchmal durch Rauch und Wolken hindurchsehen, und mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) lassen sich Fehlalarme von tatsächlichen Bränden unterscheiden. Eine häufig verwendete Messgröße zur Beobachtung und Meldung von Waldbränden ist die Strahlungsleistung eines Feuers (Fire Radiative Power, FRP). Die FRP quantifiziert die Rate, mit der Energie von einem Feuer abgestrahlt wird, und ist nützlich für die Abschätzung der Intensität von Waldbränden. Die FRP wird in der Regel in Megawatt (MW) oder Gigawatt (GW) angegeben und liefert wertvolle Informationen über die Energiefreisetzungsrate eines Feuers. Beispielsweise verwendet das CAMS Global Fire Assimilation System (GFAS) die FRP, um die Emissionen von Luftschadstoffen im Zusammenhang mit brennender Vegetation abzuschätzen. Die derzeit in CAMS GFAS assimilierten FRP-Beobachtungen werden von den aktiven Feuerprodukten des Sensors MODIS auf den NASA-Satelliten Terra und Aqua bereitgestellt.
Luft- und bodengestützte Systeme	Luftgestützte Systeme: Flugzeuge, Hubschrauber und Drohnen, die mit hochauflösenden Kameras und Sensoren ausgestattet sind, können detaillierte lokale Daten in Echtzeit liefern. Drohnen sind nützlich, um die Ausbreitung von Bränden und potenzielle Gefahren zu kartieren. Bodengestützte Sensoren: Einige Systeme verwenden bodengestützte Sensoren, die frühe Anzeichen eines Brandes, wie beispielsweise Spuren von Brandgasen, erkennen können.
Wetterüberwachung	Automatisierte Wetterstationen und andere Sensoren messen Faktoren wie Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Temperatur, die für die Vorhersage des Brandverhaltens entscheidend sind.
Datenanalyse und -integration	Künstliche Intelligenz (KI): KI ist für die Analyse der riesigen Datenmengen, die aus allen Überwachungsquellen gesammelt werden, von entscheidender Bedeutung. Sie hilft bei der Früherkennung, der Simulation des Brandverhaltens und der Schaffung intelligenterer Brandmanagementsysteme. Datenintegration: Die Informationen aus diesen verschiedenen Quellen werden in Systeme integriert, die Rettungsdienste und Behörden in Echtzeit unterstützen. Dies ermöglicht schnellere und effektivere Reaktionen zur Bekämpfung von Vegetationsbränden.

Monitoring mit optischen Sensoren

Ein weiterer Gradmesser für die Auswirkungen eines Brandes ist die Brandnarbe oder die verbrannte Fläche. Wie der Begriff schon sagt, handelt es sich bei der verbrannten Fläche um das Gebiet, das von einem Vegetationsbrand betroffen ist, was zu Ablagerungen von Holzkohle und Asche, zur Entfernung der Vegetation und zur Veränderung der Vegetationsstruktur führt.

Die Brandfläche eines Wildfeuers wird in der Regel anhand einer Kombination aus Bodenuntersuchungen, Fernerkundungstechniken und Geodatenanalyse berechnet. Satellitenbilder sind ein wichtiges Instrument zur Beurteilung der Ausdehnung von Brandflächen. Mit verschiedenen Sensoren, darunter Multispektral- und Wärmesensoren, ausgestattete Satelliten können Bilder der betroffenen Region vor und nach dem Brand aufnehmen. Durch den Vergleich dieser Bilder können Analysten die verbrannten Flächen identifizieren. Das folgende Bild aus Griechenland enstand mit Hilfe des Satelliten Sentinel-2.

Brandspuren in Ostmakedonien und Thrakien am 23. August 2023 Quelle: EU / Copernicus

Überwachung von Wildfeueremissionen und Rauch

Das CAMS Global Fire Assimilation System (GFAS) assimiliert FRP-Beobachtungen von satellitengestützten Sensoren, um stündliche und tägliche Schätzungen der Emissionen aus Waldbränden und Biomasseverbrennung weltweit mit einer räumlichen Auflösung von 0,1 Grad zu erstellen. Die GFAS-Datenausgabe umfasst räumlich gerasterte FRP- und Emissionsflüsse aus der Verbrennung von Biomasse für 40 Treibhausgase, Spurengase und Aerosolarten, die mit der Verbrennung von Vegetation in Zusammenhang stehen. Der GFAS-Datensatz ist vom 1. Januar 2003 bis heute verfügbar.

CAMS liefert täglich Fünf-Tages-Prognosen zur Zusammensetzung der Atmosphäre, einschließlich einiger Bestandteile, die besonders nützlich sind, um die Auswirkungen von Wildfeuer und Rauch auf die Atmosphäre zu verfolgen. Zwei der nützlichsten sind Aerosole und Kohlenmonoxid (CO), das bei unvollständiger Verbrennung, einschließlich bei Vegetationsbränden, entsteht und aufgrund seiner atmosphärischen Lebensdauer von einigen Wochen ein guter Indikator für den Ferntransport von Rauchverschmutzung ist. Bei Aerosolen ist es deren Aerosol Optische Dicke (AOD), die die Lichtabschwächung durch Partikel im Brandrauch angibt. Die operativen Vorhersagen von CAMS sind weltweit mit einer effektiven horizontalen Auflösung von etwa 0,4 Grad verfügbar. Darüber hinaus haben die regionalen Vorhersagen von CAMS eine horizontale Auflösung von 0,1 Grad, und die CAMS-Reanalyse der globalen Zusammensetzung der Atmosphäre ist mit einer horizontalen Auflösung von etwa 0,8 Grad von 2003 bis heute verfügbar.

Aerosol-Vorhersagen
CAMS-Aerosolvorhersagen, initialisiert am 09. August um 00 UTC, gültig für den 09. August um 12 UTC Quelle: EU / Copernicus

CAMS GFAS liefert auch Schätzungen der Emissionsinjektionshöhen, die aus den FRP-Beobachtungen und meteorologischen Informationen aus den operativen Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) abgeleitet werden. Die Injektionshöhe bezieht sich auf die Höhe, in der Emissionen aus Bränden in Abhängigkeit von ihrer Intensität in die Atmosphäre „injiziert” werden. Beeinflusst durch die Hitze der Emissionen und die Wetterbedingungen kann die Injektionshöhe die Lebensdauer, die chemische Umwandlung und das Schicksal der chemischen Bestandteile in der Rauchwolke beeinflussen. Aerosole, die in größerer Höhe injiziert werden, verbleiben wahrscheinlich länger in der Atmosphäre und legen größere Entfernungen zurück, was bedeutet, dass ihre Auswirkungen auf die Umwelt weiterreichend sind, obwohl die Auswirkungen im Nahbereich am stärksten sind.

Pyrokonvektion und Gewitter

Ein weiterer Begriff, der im Zusammenhang mit Wildfeuern häufig zu hören ist, ist Pyrokonvektion. Damit ist eine starke und tiefe Konvektion gemeint, die manchmal innerhalb einer Feuerwolke auftreten kann. Ein aktiver Vegetationsbrand setzt er eine immense Menge an Wärme frei, wodurch die Luft in seiner Umgebung schnell aufsteigt. Diese Aufwärtsbewegung der heißen Luft erzeugt einen starken Aufwind, der die umgebende kühlere Luft anzieht. Wenn die aufsteigende Luft größere Höhen erreicht, kondensiert sie und bildet Pyrocumulus-Wolken (PyroCu) oder, in intensiveren Fällen, Pyrocumulonimbus-Wolken (PyroCb), in denen sich Gewitter bilden können.

Entstehung von Pyrocumulonimbus-Wolken Quelle: BOM

Legende

Eine Wolke aus heißer, turbulenter Luft und Rauch steigt auf.
Durch Turbulenzen wird kühlere Luft in die Wolke gemischt, wodurch sie sich ausbreitet und beim Aufsteigen abkühlt.
Wenn die Wolke hoch genug aufsteigt, kühlt sich die Luft aufgrund des niedrigen Luftdrucks ab und es bilden sich Wolken.
In einer instabilen Atmosphäre kann sich ein Gewitter entwickeln: Pyrocumulonimbus-Wolke.
Der Regen in der Wolke verdunstet und kühlt sich ab, wenn er mit trockener Luft in Kontakt kommt, wodurch ein Downburst entsteht. Es kann zu Blitzen kommen, die neue Brände entfachen können.

Pyrokonvektion kann dazu führen, dass Vegetationsbrände an Größe zunehmen und unberechenbarer werden, wodurch sie potenziell gefährlicher werden, unter anderem aufgrund von Rückkopplungsprozessen zwischen der Atmosphäre und dem Feuer. Starke Schwankungen in der Richtung und Geschwindigkeit der Oberflächenwinde in Verbindung mit konvektiven Zuflüssen und Fallwinden können das Brandverhalten beeinflussen, und pyrogene Blitze können neue Brände entfachen. Starke Winde können auch das Auftreten von Brandherden verstärken, bei denen der Wind brennende Brandreste mit sich trägt und möglicherweise weitere Brände in Windrichtung des ursprünglichen Feuers entfacht. Die Wechselwirkung zwischen dem Vegetationsbrand und der Atmosphäre während der Pyrokonvektion verschärft nicht nur das Brandverhalten, sondern kann auch zusätzliche Herausforderungen für die Brandbekämpfung und die öffentliche Sicherheit mit sich bringen.

Wildfeuer und Klimawandel

Der Klimawandel wurde als ein wesentlicher Faktor identifiziert, der zur erhöhten Häufigkeit und Intensität von Vegetationsbränden in den nördlichen außertropischen Regionen beiträgt. Mehrere Faktoren tragen zu diesem Zusammenhang bei, darunter nicht zuletzt der Anstieg der globalen Temperaturen und längere Dürreperioden infolge des Klimawandels. Steigende globale Temperaturen in Verbindung mit veränderten Niederschlagsmustern führen zu trockeneren Bedingungen, was das Risiko von Bränden erhöhen kann. Die Situation wird durch klimawandelbedingte Veränderungen der Wind- und Blitzmuster noch verschärft. Heiße, trockene Winde verschlimmern Vegetationsbrände, indem sie die Ausbreitung der Flammen beschleunigen und dafür sorgen, dass die Brände über lange Zeiträume hinweg andauern. Darüber hinaus wird eine Zunahme von Blitzen mit einer höheren Anzahl von Brandausbrüchen in Verbindung gebracht, insbesondere in hohen Breitengraden.

Die folgende Karte zeigt Anomalien der Bodenfeuchte sowie Brandgebiete mit vom GFAS geschätzter Strahlungsleistung von Wildfeuern größer oder gleich 1 W m^-2 im Zeitraum Juni bis August 2022. Der Polarkreis ist durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet. Die rot schattierten Punkte stellen die gesamte Strahlungsleistung (FRP) der Waldbrände dar. Die Anomalien werden als Prozentsatz des Durchschnitts für den Referenzzeitraum 1991–2020 berechnet. Datenquellen: ERA5-Land-Bodenfeuchte und CAMS GFAS v1.2-Waldbranddaten.

Bodenfeuchte-Anomalien und Wildfeuer von Juni-August 2022 Quelle: Copernicus

Es besteht auch eine mögliche Rückkopplungsschleife zwischen Wildfeuern und dem Klimawandel. Extreme Vegetationsbrände können den Kohlenstoffkreislauf der Erde verändern, indem sie mehr Kohlenstoff freisetzen, als durch die nachwachsende Vegetation gebunden wird. Die Zerstörung der Vegetation und die Verbrennung des Bodens durch Vegetationsbrände verringern auch die Kohlenstoffspeicherkapazität des Bodens und können die Oberflächenalbedo verändern. Darüber hinaus kann Waldbrandrauch aufgrund der Wolkenbildung die Strahlungsbilanz der Erde verändern (auch wenn die Auswirkungen auf das Klima möglicherweise nicht signifikant sind), während Ruß Infrarotstrahlung absorbiert und emittiert, was einen Erwärmungseffekt haben kann – diese Auswirkungen sind jedoch relativ lokal begrenzt und von kurzer Dauer. Darüber hinaus verringert Ruß, der sich auf Schnee und Eis ablagert, auch die Albedo-Rückkopplung des Eises (die Fähigkeit von Eiskappen, Gletschern usw., Sonnenenergie zurück ins All zu reflektieren).

Es ist wichtig zu beachten, dass der Klimawandel zwar ein Faktor ist, der zur Zunahme von Vegetationsbränden beiträgt, aber nicht der einzige Faktor ist. Landbewirtschaftungspraktiken, menschliche Aktivitäten und natürliche Schwankungen spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Dynamik von Vegetationsbränden.

(s.a. Feuermonitoring)

Weitere Informationen:

European Forest Fire Information System - EFFIS (Copernicus)
Fire Information for Resource Management System - FIRMS (NASA)
Global Wildfire Information System - GWIS (GEO / Copernicus)
Copernicus Atmosphere Monitoring Service - CAMS (Copernicus)
Tracking global wildfires - CAMS (ECMWF)
Wildfire impact: How is it monitored & measured? (Copernicus)
From spark to suppression: An overview of wildfire monitoring, progression prediction, and extinguishing techniques (ScienceDirect 2025)
Introduction to NASA Earth Observations and Tools for Wildfire Monitoring and Management (NASA 2025)