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Paarlauf in der Erdbahn

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

Seit 2002 kartiert das Satellitenpaar GRACE das Schwerefeld der Erde mit nie dagewesener Präzision. Die Messwerte geben Aufschluss über Meeresströme und Landverschiebungen und zeigen auch, wie sich die globalen Wassermassen als Regen und Flüsse im Wechsel der Jahrzeiten über die Kontinente verteilen. Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN arbeiten Potsdamer Wissenschaftler nun daran, dem orbitalen Tandem noch genauere Daten zu entlocken.

Nur wenige Naturphänomene sind uns Menschen so vertraut wie die Schwerkraft. Sie hält uns auf dem Fußboden, lässt welke Blätter vom Baum segeln und auch beim Blick auf die Badezimmerwaage werden uns ihre Auswirkungen vor Auge geführt. Allerdings ist sie nicht überall gleich groß: Ein Polarforscher, der in der Antarktis 80 Kilogramm auf die Waage bringt, wäre bei einem Ausflug zum Äquator, trotz gleicher Körpermasse und Montur, rund 400 Gramm leichter. Das liegt daran, dass das durch die Schwerkraft bedingte Gewicht auf einem Wechselspiel zwischen Fliehkraft und der durch die Massen der Erde bedingten Erdanziehung (Gravitationskraft) beruht. Dass die daraus resul¬tierende Schwerkraft ortsabhängig ist, hat deshalb nun mehrere Ursachen. Zum einen liegt es an der täglichen Pirouette unseres Planeten, der sich alle 24 Stunden einmal um die eigene Achse dreht. Die daraus resultierende Fliehkraft wirkt der Gravitationskraft entgegen. Am Äquator ist dieser Effekt am stärksten. Andererseits ist unser Erdball keine perfekte Kugel. Unser Planet geht am Äquator in die Breite, die Polarregionen hingegen sind abgeplattet. Außerdem überziehen Dellen und Beulen den Globus, und auch die Erdkruste ist alles andere als homogen. Sie besteht an manchen Stellen aus dichtem, an anderen Stellen aus weniger kompaktem Gestein. Diese unregelmäßige Massenverteilung trägt somit ebenfalls zur Ausbildung eines ortsabhängigen Schwerefeldes der Erde bei. Überdurchschnittlich klein ist deshalb die Schwerkraft beispielsweise vor der griechischen Küste und rund um Sri Lanka. Derartige Abweichungen sind allerdings deutlich geringer als die Effekte der Fliehkraft. Aber immerhin: Besagter Polarforscher wäre bei einer Kreuzfahrt im östlichen Mittelmeer etwa 10 Gramm leichter als beim Sonnenbad auf der Insel Mallorca.

In 90 Minuten um die Welt


Solche Schwerkraftanomalien wurden einst vom Boden aus vermessen, heute setzen Wissenschaftler auf Satellitentechnik. Seit dem Jahr 2002 betreiben US-Amerikaner und Deutsche eine solche Satellitenmission unter dem Namen GRACE. Das Besondere: es handelt sich um ein Satellitenpaar. "Diese zwei Satelliten fliegen im Abstand von etwa 200 Kilometern hintereinander her", erläutert Markus Rothacher, Direktor des Department "Geodäsie und Fernerkundung" am GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). "Wir nennen die beiden auch Tom und Jerry." Diese Bezeichnung kommt nicht von ungefähr. Das Gespann rast mit rund 25.000 Kilometern in der Stunde durch den Weltraum und benötigt für eine Erdumkreisung gerade mal 90 Minuten. Es ist eine nie endende Verfolgungsjagd in knapp 500 Kilometern Höhe, bei der sich der Abstand der Satelliten zueinander allerdings ständig verändert. Im ungleichmäßigen Schwerefeld der Erde ist das Duo nämlich wechselnden Kräften ausgesetzt. Der vorauseilende Satellit kann daher abgebremst, sein Verfolger gleichzeitig beschleunigt werden. Der gegenseitige Abstand schwankt dementsprechend und wird laufend überwacht. "Die Distanzmessung zwischen den Satelliten ist auf rund fünf Mikrometer genau", erläutert Professor Rothacher. "Das ist rund ein Zehntel einer Haaresbreite."


GRACE-Tandem

GRACE-Tandem in der Umlaufbahn. Die Satellitenmission GRACE kartiert das Schwerefeld der Erde, in dem sie kleinste Änderungen in der Flugbahn zweier Satelliten erfasst. Die Abbildung ist nicht maßstabsgetreu. Tatsächlich halten die beiden Sonden rund 200 Kilometer Abstand (c) NASA


Mit Hilfe der Abstandsmessung kartographieren die Geoforscher das Schwerefeld der Erde. Dies geschieht nach und nach, denn bei jedem Orbit überfliegen die Satelliten zwar beide Pole, ansonsten jedoch wechselnde Regionen unseres Planeten. Auf diese Weise wird allmählich die gesamte Erdoberfläche abgedeckt. "In etwa einem Monat hat man eine vernünftige Menge an Daten gesammelt, um ein Schwerefeld der ganzen Erde zu berechnen", erklärt Markus Rothacher. "Die räumliche Auflösung beträgt dabei einige hundert Kilometer."

Neben den Sensoren für die Entfernungsmessung, die per Mikrowellen geschieht, tragen die GRACE-Satelliten noch weitere Instrumente. "Dazu gehören GPS-Empfänger zur Bahnbestimmung", sagt Rothacher, "sowie Beschleunigungsmesser. Diese braucht man, um die nicht-gravitativen Kräfte zu messen. Also alles, was nicht Schwerefeld ist." So sind die Satelliten selbst in 500 Kilometern Höhe einem gewissen Luftwiderstand ausgesetzt, der sie ohne ein Gegensteuern der Raketendüsen allmählich abbremsen würde. Eine weitere Störquelle ist der Strahlungsdruck der Sonne. Alle diese Effekte müssen bei der Bestimmung des Schwerefeldes beachtet werden.

Dazu berechnen die Forscher das so genannte Geoid, die "Äquipotentialfläche" der irdischen Schwerkraft. Dessen Kontur fällt im Idealfall mit der ruhenden Oberfläche der Ozeane zusammen. Wegen des unregelmäßigen Schwerefeldes weist diese virtuelle Fläche zahllose Ausstülpungen und Dellen auf. Angesichts dieser Gestalt wundert es nicht, dass mitunter von einer "Kartoffel" die Rede ist.


Geoid

Die Grafik zeigt - in stark überhöhter Form - die Anomalien des Schwerefelds der Erde als Beulen und Dellen eines "Geoides". Die Form dieser, aus Orten gleicher Erdbeschleunigung zusammengesetzten Fläche würde die Erde annehmen, wäre sie vollständig mit Wasser bedeckt. (c) GFZ Potsdam

 

Globale Wasserströme


Das Geoid verformt sich ständig aufgrund von Massenbewegungen unterhalb und oberhalb des Erdbodens. Solche Änderungen verfolgen zu können, ist eine besondere Stärke von GRACE. "Wenn man die monatlichen Modelle des globalen Schwerefelds miteinander vergleicht, sieht man zeitliche Veränderungen, die durch diverseste Prozesse im System Erde verursacht werden", so Rothacher. "Sämtliche Massenbewegungen sind darin enthalten." Dies gilt für die Kontinentaldrift gleichermaßen, wie für die Atmosphäre, Ozeane und Eismassen. Von den Rohdaten zum Ergebnis ist es deshalb ein langer Weg, erläutert der Geoforscher: "Man versucht, die einzelnen Effekte möglicht raffiniert heraus zu trennen. Dazu greift man zum Beispiel auf Modelle der Meteorologen zurück, um die Atmosphäre wegzurechnen. Dann nimmt man ozeanische Modelle, um die Wassermenge im Ozean zu berücksichtigen. Das Signal, das schließlich übrig bleibt, versucht man, zu interpretieren. So sieht man beispielweise, dass in den Einzugsgebieten von Flüssen Massenänderungen stattfinden. Die haben mit Niederschlägen zu tun, die sich während des Jahres im Boden ansammeln und schließlich über die Flüsse abfließen." Mit dieser Methode gelang es dem GRACE-Team, saisonale Veränderungen im Wasserhaushalt der Kontinente erstmals aus der Erdumlaufbahn zu erfassen. Die Messungen zeigen, dass die größten Schwankungen im Becken tropischer Ströme wie Amazonas, Niger oder Ganges auftreten und darüber hinaus auch im Einzugsgebiet des Ob und anderer Flüsse Sibiriens stattfinden.


Saisonale Schwankungen im Wasserhaushalt der Kontinente

Variation monatlicher GRACE-Schweremessungen gegenüber ihrem Mittelwert für 4 ausgewählte Monate: April, August, November 2003 und Feburar 2004 (v. l. n. r.). Anstelle von Schwereeinheiten wird die Variation in Form der Höhe einer massenäquivalenten Wasserschicht (in mm) dargestellt, die die gemessenen Schwerevariation verursachen. Man erkennt im Amazonas und Orinocco deutlich den jahreszeitlichen Zyklus mit Zu- und Abnahme hydrologischer Massen im Bereich des jeweiligen Einzugsgebiets. (c) GFZ Potsdam


Diese Ergebnisse brachten manche Überraschung. "Die Resultate von GRACE zeigen größere jahreszeitliche Schwankungen als terrestrische Messungen", sagt Rothacher.

Auch der Weg des Wassers im Meer lässt sich mit Hilfe der Zwillingssatelliten untersuchen. Ausgangspunkt ist wiederum das Geoid. "Dieser Fläche müsste sich der Meeresspiegel eigentlich exakt anpassen", so Geoforscher Rothacher. "Nun kann man das Geoid jedoch mit der tatsächlichen Meereshöhe vergleichen, wie sie mit Hilfe von Radarsatelliten bestimmt wird. Dabei sieht man natürlich die Gezeiten. Aber wenn man die rausrechnet, bleiben noch Variationen von ein bis zwei Metern und die haben mit der Strömung zu tun." Messungen auf hoher See werden auf diese Weise ideal ergänzt, wie Rothacher herausstellt: "GRACE liefert globale Daten. Das ist etwas anderes, als wenn man lokal einen Strömungssensor ins Wasser hält."

Bewegte Erde


Massive Landverschiebungen bleiben dem Blick von GRACE ebenfalls nicht verborgen. Ein Beispiel dafür ist die "postglaziale Landhebung", wie sie etwa in Skandinavien stattfindet. Die gesamte Region wird pro Jahr um einige Millimeter angehoben. "Das hängt damit zusammen, dass diese Gebiete vor 10.000 Jahren von einem gewaltigen Eispanzer bedeckt waren", schildert Rothacher. "Das Eis hat die Erdkruste eingedrückt, ist inzwischen jedoch weggeschmolzen. Nun ist die Erde jedoch nicht so elastisch, dass sie sich rasch wieder zurückformt. Das sind sehr langsame Prozesse. Und in jenen Gebieten, in denen die Entlastung stattgefunden hat, bewegt sich die Erde immer noch."

Nicht alle tektonischen Vorgänge sind derart gemächlich, mitunter stoßen die Forscher auch auf drastische Veränderungen. So geschehen auf dem Grund des Indischen Ozeans. Im Dezember 2004 bebte dort die Erde und löste einen verheerenden Tsunami aus, der die Küsten Südostasiens überrollte. Das Seebeben hat den Erdkörper vor der Küste Indonesiens und damit das lokale Schwerefeld nachhaltig verformt. Dies stellten die Wissenschaftler anhand von Messreihen fest, die GRACE teils vor, teils nach dem Beben gesammelt hat. "Wir haben die Massenverschiebungen gesehen, die im Meeresboden stattgefunden haben", so Rothacher.

Die Daten von GRACE sind eine Fundgrube auch für Klimaforscher. Diese beobachten den Rückgang der Eismassen Grönlands und der Antarktis mit Argussaugen. "Man hat gesehen, dass sie eigentlich stärker Abschmelzen, als man erwartet hat", berichtet Professor Rothacher. "Dieser Eisschwund passt zu der Annahme, dass die globale Erwärmung in den vergangenen Jahren stärker geworden ist."

Blick in die Zukunft


Nach inzwischen 5-jähriger Missionsdauer und vieler neuer Erkenntnisse sind die Forscher mit den Ergebnissen von GRACE noch nicht ganz zufrieden. "Die Resultate, die man bisher hat, sind an und für sich äußerst spektakulär und wirklich neu", konzidiert Rothacher. "Aber eigentlich würde man noch mehr erwarten. Es ist so, dass man aus den Vorstudien zur Mission etwa einen Faktor 10 genauere Resultate erwarten würde." Fehlerquellen aufzuspüren, ist das Ziel von Untersuchungen, die im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN gefördert werden. Im Zuge dessen wollen die Potsdamer Forscher alle Komponenten des GRACE-Projekts einer genauen Prüfung unterziehen. "Dies reicht von den Instrumenten an Bord der Satelliten bis hin zu der komplizierten Verarbeitung der Messdaten", erklärt der Geowissenschaftler. "Es könnte zum Beispiel sein, dass die Beschleunigungsmesser nicht so genau arbeiten, wie man erwartet hat." Dies testen die Forscher mit Hilfe von Modellrechnungen, mit denen sie das Verhalten der Satelliten-Hardware am Computer simulieren. "Auch nimmt man an, dass die Gezeiten der Ozeane noch nicht genau genug bekannt sind", gibt Rothacher zu bedenken, "und diese muss man bei der monatlichen Bestimmung des Schwerefeldes herausrechnen. Denn alles was sich schnell verändert, wird korrigiert, damit der monatliche Mittelwert stimmt."

Gesichert ist der Betrieb von GRACE jedenfalls bis zum Jahre 2009, die nötigen Gelder wurden inzwischen genehmigt. "Theoretisch könnte GRACE bis 2012 oder noch länger weiter arbeiten", meint Rothacher. "Solange reicht der Treibstoff für die Bahnkorrekturen auf jeden Fall." Bis dahin dürfte auch GOCE, die Nachfolgemission von GRACE, angelaufen sein. Während GRACE auf Änderungen des Schwerefelds spezialisiert ist, wird GOCE darauf getrimmt, den zeitlichen Mittelwert möglichst exakt zu bestimmen. GOCE setzt dabei auf eine andere Messtechnik als GRACE und kommt deshalb mit nur einem Satelliten aus. Nach jetzigem Planungsstand soll diese Mission noch in diesem Jahr den Betrieb aufnehmen.

MN, iserundschmidt 04/2007