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Außerirdischer Katastrophenschutz

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Das GPS und die Frühwarnsysteme der Zukunft

Als am 8. Dezember 1993 die erste Einsatzfähigkeit von GPS verkündet wurde, trauten sich wohl nur Optimisten, die rasante Entwicklung des satellitengestützen Positionssystems vorherzusagen. Inzwischen findet GPS-Technik nicht nur als Navigationssystem in Flugzeug und Auto oder beim „Geocaching“ auf elektronischen Schnitzeljagden Anwendung, sondern auch in der geowissenschaftlichen Forschung – zum Beispiel zur frühzeitigen Erkennung von Naturkatastrophen.

24 Satelliten kreisten in jenem Winter der 1990er-Jahre bereits auf ihren Umlaufbahnen, begonnen worden war mit dem Aufbau des globalen Navigationssystems schon einige Jahre zuvor: 1978 schoss der erste GPS-Satellit in den Orbit, und nach der Entwicklung von Bodenkontrollstationen und Empfangsgeräten wurde 1995 schließlich die volle Funktionsfähigkeit von NAVSTAR-GPS (im Volksmund kurz und nicht ganz korrekt GPS genannt) verkündet. Praktisch ausschließlicher Nutzer: das amerikanische Militär. Um anderen, nicht-autorisierten Anwendern – vorrangig natürlich feindlichen Streitkräften – die Nutzung von GPS zu erschweren, wurden die Frequenzen der Satelliten nach dem Zufallsprinzip verändert, so dass es, ohne entsprechenden Schlüssel, zu Abweichungen von rund 100 Metern bei der Positionsbestimmung kommen konnte. Erst im Jahr 2000, nach Bekanntwerden der europäischen Pläne für ein eigenes Satellitennavigationssystem namens Galileo, wurde diese künstliche Ungenauigkeit durch den amerikanischen Präsidenten aufgehoben.

 

GPS-Satellit

 

GPS-Satellit aus Künstlersicht. Insgesamt 31 Trabanten kreisen in über 20.000 Kilometern Höhe um den Erdball. © NASA

Die erfolgreiche Ortsbestimmung per Global Positioning System basiert auf der Zusammenarbeit gleich mehrerer, theoretisch mindestens dreier Satelliten. Diese senden pausenlos ihren momentanen Aufenthaltsort und ein Zeitsignal aus. Aus der Laufzeit dieser Signale können GPS-Empfänger am Erdboden dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Um dies möglichst genau tun zu können, müsste der Empfänger die von den Satelliten eintreffenden Zeitsignale eigentlich mit einer eigenen Uhr abgleichen – für verlässliche Ergebnisse auf die Nanosekunde genau. Da (Atom-)Uhren dieser Qualität die Kosten und Dimensionen von Empfangsgeräten allerdings sprengen würden, werden sie ebenfalls in einem Satelliten montiert. Damit arbeiten immer mindestens vier Satelliten für eine Positionsbestimmung zusammen. Und um zu gewährleisten, dass ein ununterbrochener „Sichtkontakt“ zu dieser Mindestzahl an GPS-Satelliten besteht, kreisen insgesamt mindestens 24 Trabanten auf sechs Umlaufbahnen um die Erde.

Dass GPS weit mehr kann, als nur zum Abbiegen in 50 Metern zu raten, zeigen Wissenschaftler des GeoForschungsZentrum Potsdam. Sie arbeiten im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkts „Frühwarnsysteme im Erdmanagement“ an G-SEIS, einem System, das Bodendeformationen misst und bei ungewöhnlichen Werten automatisch Alarm schlägt. So können Naturkatastrophen wie Erdbeben, Erdrutsche oder Vulkanausbrüche frühzeitig erkannt und im Idealfall die betroffenen Regionen rechtzeitig gewarnt werden. G-SEIS, ein Akronym für „Gps-SurfacE deformation withIn Seconds“, setzt auf eine Kombination von GPS-, seismischen, Gezeiten- und Wettersensoren. Das Problem: Während die GPS-Technik in der Lage ist, Erdbewegungen in Echtzeit zu erfassen, brauchen seismologische Verbundnetze eine gewisse Zeit, die in Schüben übermittelten Daten zu verarbeiten. Die zwei bereits existierenden Felder, Echtzeit-Datentransfer und hochpräzise GPS-Datenverarbeitung, werden daher im Projekt zusammengebracht und optimiert.

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: Kommt es zu einem Erdbeben, schlagen GPS-Sensoren deutlich aus, auf Vulkanen angebracht können sie frühzeitig auftretenden Deformationen detektieren. Die auf diese Weise gewonnenen Daten werden in Messstationen, deren Positionsdaten ebenfalls als Frühwarnsystem dienen, gesammelt und ausgewertet. Um die dabei anfallende Datenmenge in nahezu Echtzeit verarbeiten zu können, müssen neben leistungsstarker Hardware auch neue Verfahren der Datenverarbeitung und -komprimierung eingesetzt werden.

 

Beule am Mount St. Helens

 

Einen Monat vor dem Ausbruch des Mount St. Helens im Jahre 1980 ist an seiner Nordflanke eine gigantische Beule sichtbar (Bildmitte). Nicht immer sind Bodendeformationen so deutlich erkennbar. © Peter Lipman, USGS, 27. April 1980

Gestestet wird das System in einer der geologisch aktivsten Regionen der Erde. An der Westküste der indonesischen Insel Sumatra und auf den ebenfalls zu Indonesien gehörenden Mentawai-Inseln sollen GPS-Sensoren zweier Prototypanlagen nach Erderschütterungen fahnden. Kommt es an der tektonischen Nahtstelle zweier Erdplatten beispielsweise zu einer Flutwelle, lässt sich so neben der Wellenhöhe auch ihre Ausbreitungsrichtung bestimmen – für Hafenstädte wie Padang, immerhin 800.000 Einwohner groß und nach Expertenmeinung stark Tsunami gefährdet, sind dies im Katastrophenfall lebenswichtige Messwerte.

Verformungen des Bodens aufgrund von tiefer liegenden Magmabewegungen sind die Potsdamer Forscher gut 1000 Kilometer entfernt auf der Nachbarinsel Java auf der Spur. Hier nutzen sie das Global Positioning System zur Beobachtung eines aktiven Vulkans: Mobile GPS-Sensoren zeichnen die Deformationen des Gunung Merapi vor und während Eruptionen auf und lassen so Rückschlüsse auf kurz- oder mittelfristig bevorstehende Ausbrüche zu.

Das Projekt G-SEIS zeigt, welch rasante Entwicklung die Beobachtungs- und Überwachungstechnik der Geoforscher allein in den letzten Jahren durchgemacht hat. Doch Beobachtung allein ist natürlich nicht alles – die vielleicht größte Herausforderung liegt immer noch in der richtigen Interpretation der gewonnenen Messdaten, im tieferen Verständnis eben jener Mechanismen, die aufgewölbten Vulkanhängen und rutschenden Bergflanken zugrunde liegen. Wie entscheidend dies für eine ausreichende Frühwarnung sein kann, zeigt der Ausbruch des nordamerikanischen Mount St. Helens im Jahre 1980. Die hundert Meter hohe Beule, die dem Vulkan kurz vor dem Ausbruch aus der Nordflanke wuchs, hatten die Vulkanologen zwar als deutliches Warnsignal erkannt, die Richtung der späteren Energieentladung, die den Berg schließlich seitlich auseinander riss, überraschte jedoch auch sie. 57 Menschen kamen damals in der Explosionswolke ums Leben.

RD, iserundschmidt 12/2007


Mehr zum Projekt G-SEIS und dem übergeordneten GEOTECHNOLOGIEN-Forschungsschwerpunkt „Frühwarnsysteme im Erdmanagement“ finden Sie hier.

Eine ausführliche Projektübersicht finden Sie auch im Science Report No. 10, den Sie hier als Printexemplar bestellen oder als pdf-File herunterladen können.

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