Fortsetzung „Grace“-Mission

Die Schwerkraft als Fenster ins Erdsystem

Von Felicitas Mokler
 - 17:32
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Mehr als fünfzehn Jahre haben sie im All Katz und Maus gespielt und dabei das Schwerefeld der Erde so genau vermessen wie nie zuvor. Ende 2017 hatte das amerikanisch-deutsche Satelliten-Duo mit Spitznamen Tom und Jerry schließlich ausgedient. „Ziel der Grace-Mission war es, Schwerefeldvariationen auf monatlicher Basis zu messen, um daraus Rückschlüsse auf klimarelevante Fragestellungen zu ziehen, beispielsweise wie sich der globale Wasserkreislauf verändert oder wie Gletscher schmelzen“, erläutert Frank Flechtner vom deutschen Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) und wissenschaftlicher Leiter der Mission auf deutscher Seite. Zunächst auf fünf Jahre ausgelegt, haben die Satelliten von März 2002 bis Ende 2017 wesentlich länger durchgehalten als ursprünglich geplant. In dieser Zeit hat die Grace-Mission den Wissenschaftlern eine Fülle an Daten beschert. Mehr als 1700 Publikationen sind bisher daraus hervorgegangen.

Für ihre Beobachtungen mit den Grace-Satelliten (Gravity Recovery And Climate Experiment) haben sich die Forscher zunutze gemacht, dass Landmassen unterschiedlicher Dichte lokale Massenunterschiede im Untergrund und damit minimale Schwankungen im Schwerefeld des Planeten verursachen. Schon allein wegen der Erdrotation und der resultierenden Erdabplattung ist die Schwerebeschleunigung nicht überall auf dem Globus gleich. Zwischen den Polen und der Äquatorregion variiert sie um etwa ein halbes Prozent. Unterschiede im Erdinneren und in der Topologie etwa zwischen einer Tiefebene, Meeresgebieten und dem Himalaja schlagen mit einigen Zehnmillionsteln davon deutlich weniger zu Buche.

Noch einmal tausendmal winziger sind jene Schwankungen, die durch eine unterschiedliche Zusammensetzung der Landmassen einschließlich des Wassergehalts zustande kommen und auf regionaler Skala und kurzfristig variieren. Dabei fällt beispielsweise ins Gewicht, ob in einer Gegend die Grundwasserspeicher gut aufgefüllt sind oder eine Dürrephase herrscht.

In einer Höhe von anfänglich 500 Kilometern jagten die beiden Grace-Satelliten auf ihrer Umlaufbahn um die Erde praktisch im freien Fall hintereinander her. Während unter ihnen Ozeane, Eisschilde, flache Landmassen und Gebirge vorüberzogen, entfernte sich der eine Satellit ein wenig vom anderen, wenn dieser über eine Region mit etwas erhöhtem Schwerefeld geriet und dadurch beschleunigt wurde; wenig später holte der andere wieder auf. Eine Art Mikrowellenradar vermaß dabei den Abstand von rund 220 Kilometern zwischen den beiden Satelliten mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern. Das entspricht etwa dem Zehntel der Dicke eines Haares.

Mit dieser Methode lassen sich auf der Erde regionale Unterschiede im Schwerefeld über wenige 100 Kilometer ertasten, die zudem auf einer monatlichen Zeitskala variieren. Für diese zeitlichen Veränderungen interessieren sich die Forscher ganz besonders, denn sie spiegeln die Verlagerung von Wassermassen wider, die eine wesentliche Rolle im Erdklimasystem übernehmen. Die Verteilung von gesteinsartiger Materie bleibt hingegen über menschliche Zeiträume weitgehend konstant, sofern sie sich nicht durch starke Erdbeben verändert.

Dass der Meeresspiegel aufgrund der Erderwärmung und des Abschmelzens der Polkappen ansteigt, war bereits bekannt. Aus den Grace-Messungen in Kombination mit anderen Altimetriemessungen ergab sich aber ein stärkerer Meeresspiegelanstieg als zuvor angenommen, und es zeigte sich zudem, dass dieser vor allem regional deutlich variieren kann (doi: 10.1073/pnas.1519132113). Auch die Eisschilde schmelzen schneller als gedacht. Im Verlauf der Grace-Messungen verschwanden in Grönland rund 230 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr, in der Antarktis waren es 120 Milliarden Tonnen pro Jahr (doi: 10.2312/GFZ.syserde.07.02.2).

Doch die Grace-Satelliten erfassten nicht nur Veränderungen im Wasserhaushalt an der Erdoberfläche. Sie konnten anhand der winzigen Veränderungen in der Schwerkraft gewissermaßen auch unter die Erdoberfläche blicken und so Veränderungen im Gesamtwasserhaushalt inklusive des Grundwassers abbilden. In Verbindung mit anderen Satellitendaten ergab sich ein drastisches Bild: Ein Drittel der Grundwasserbecken weltweit werden stärker geleert, als sie wiederaufgefüllt werden können (hier geht's zur Studie).

Zuvor waren Messungen zu Grundwasservorkommen nur lokal möglich. Einen Überblick über solche Messungen gebe es aber gerade in Entwicklungs- oder Schwellenländern kaum, schrieb der Hydrologe und Erdsystemwissenschaftler vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Nasa James Famiglietti 2014 in einem „Nature“-Kommentar. Die Grace-Messungen ermöglichten nun vor allem eine Überwachung des (Grund-)Wasserhaushalts über Landesgrenzen hinweg. Dies ist auch politisch relevant, da die Gesetze und das Wassermanagement in den betreffenden Regionen aus einer Zeit stammen, als der Zusammenhang zwischen Grund- und Oberflächenwasser nicht oder nur kaum bekannt war.

Für viele klimarelevante Veränderungen lassen sich allerdings nur dann statistisch signifikante Aussagen treffen, wenn die betreffenden Parameter über noch längere Zeiträume von einigen Dekaden erfasst werden. Aus diesem Grund wurde eine Nachfolgemission entwickelt. Wie bei der Vorgängermission hat die Nasa auch für „Grace Follow-on“ die Satelliten in Deutschland, bei Airbus DS GmbH, gekauft und wird die Mission leiten. Den Missionsbetrieb gewährleisten das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, beauftragt und finanziert durch das GFZ sowie das JPL. Die wissenschaftliche Auswertung wird das GFZ federführend gemeinsam mit dem JPL und dem Center for Space Research der Universität Texas durchführen.

„Grace Follow-on“ wird nicht nur die Erde beobachten, sondern außerdem eine in der Schwerelosigkeit neuartige Technologie testen: ein Laserinterferometer, ähnlich wie Forscher es bereits zur Detektion von Gravitationswellen vom Boden aus nutzen. In einigen Jahren soll ein solches Instrument auch in dem weltraumbasierten GravitationswellenObservatorium Lisa eingesetzt werden.

„Bei ‘Grace Follow-on’ werden wir das erste Mal ein Laserinterferometer auf lange Distanz zwischen zwei Satelliten betreiben“, erläutert Gerhard Heinzel vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Zwar wird bei dem geplanten weltraumbasierten Gravitationswellen-Observatorium Lisa die Messdistanz mit 2,5 Millionen Kilometern zwischen den einzelnen Satelliten wesentlich größer sein als bei „Grace Follow-on“, so Heinzel. Dennoch würden sich viele technische Parameter ähneln. Damit wäre der bevorstehende Flug eines Laserinterferometers auf den beiden „Grace Follow-on“-Satelliten ein großer Schritt in Richtung Lisa.

Langfristig werden die Forscher von dieser neuen Technologie auch für ihre Messungen zur Erdbeobachtung profitieren. Denn das Interferometer soll über eine Distanz von 220 Kilometern Abstandsvariationen von etwa 80 Nanometern wahrnehmen und damit etwa dreißigmal genauer messen als der bisher eingesetzte Mikrowellenradar. „Sollte das neuartige Laserinterferometer einwandfrei funktionieren, werden wir diese Messungen natürlich auch für die Erstellung unserer monatlichen Schwerefeldkarten benutzen“, so Flechtner. Erstmal basiere bei „Grace Follow-on“ aber alles auf der herkömmlichen Methode mit Mikrowellen. Wenn alles nach Plan läuft, werden die „Grace Follow-on“-Satelliten Ende April mit einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien abheben.

Quelle: F.A.Z.
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