Geoforschung

Satelliten vermessen den Welt-Wasserhaushalt

Die Messergebnisse aus dem All liefern präzise Angaben zum Anstieg der Meeresspiegel und zur Veränderung globaler Grundwasservorkommen. Und sie verbessern die Vorhersage von Naturkatastrophen. Die Forscher der Satellitenmission GRACE-Follow-on ziehen daraus Rückschlüsse auf den Klimawandel.

Mit einer amerikanischen SpaceX-Rakete startete das Forschungsprojekt GRACE-ON ins Weltall.

Mit einer amerikanischen SpaceX-Rakete startete das Forschungsprojekt GRACE-ON ins Weltall.

Foto: CC BY-NC-ND 2.0 - NASA/Bill Ingalls

Am 22. Mai ist die amerikanische SpaceX-Rakete, die das Satellitenpaar zur Erdbeobachtung ins All brachte, gestartet. Nach drei Minuten raste sie schon mit einer Geschwindigkeit von 8500 Kilometern pro Stunde gen Weltall. Nach etwas mehr als zehn Minuten hatte ihre Oberstufe eine Höhe von 490 Kilometern erreicht, wo sie die beiden Satelliten in ihre Umlaufbahn entließ. Dort umrundet das Satellitenpaar unseren Planeten nun 16 Mal am Tag und sendet Messdaten auf die Erde.

Für Professor Frank Flechtner, den wissenschaftlichen Leiter der GRACE-FO-Satellitenmission am Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), war der erfolgreiche Raketenstart auf der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien der schönste Moment seiner wissenschaftlichen Laufbahn. Er durfte das "Go" für den Raketenstart geben.

GRACE-FO steht für Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung und das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördern die Mission gemeinsam mit mehr als 50 Millionen Euro über eine Laufzeit von acht Jahren. GRACE Follow-On ist eine gemeinsame Mission des Deutschen GFZ und der US-Raumfahrtagentur NASA. Beide Länder setzen in GRACE-FO die erfolgreiche Zusammenarbeit in der Erdbeobachtung fort, die mit der Vorgängermission GRACE begonnen hat.

Einzigartiges Projekt

"Ich persönlich finde die Erdbeobachtung mit Satelliten noch viel spannender als die Forschung auf der ISS", so Flechtner. "Es ist faszinierend, dass wir den Verlust der Eismassen in der Arktis und Antarktis und andere Veränderungen im System Erde sehr präzise bestimmen können, ohne jemals vor Ort zu sein", findet Flechtner.

"Früher habe ich Messstationen in Indien aufgebaut, um groß-skalige Veränderungen des Schwerefelds zu vermessen. Mit GRACE-FO benötigen wir diese Bodenstationen gar nicht mehr und messen deutlich genauer." Vor die Aufgabe gestellt, die Satellitenmission in nur einem Satz zusammenzufassen, betont Flechtner die Einzigartigkeit des Projekts: "GRACE-FO ist die einzige Mission im Weltraum, die Massentransporte im System Erde kontinuierlich beobachten kann."

Satelliten geben Aufschluss über Gletscherschmelze

Ziel der Mission GRACE-FO ist die monatliche Vermessung des Erdschwerefelds, das Aufschluss über die Bewegung von Wasser auf der Erde gibt. Die Mission ermöglicht damit Aussagen zum globalen Wandel wie dem Eisrückgang in den Polarregionen, zu veränderten Meeresströmungen und steigenden oder sinkenden Grundwasserspiegeln.

Dazu gehören sowohl Wasserverluste, wie sie in Kalifornien und im Nahen Osten beobachtet wurden, wie auch zunehmende Wassermassen im Untergrund. Denn ein gut gefüllter Grundwasserleiter hat zur Folge, dass nach ergiebigen Regenfällen weniger Wasser versickert und damit die Überflutungsgefahr steigt. GRACE-FO soll helfen, diese Bedrohung frühzeitig zu erkennen.

Die Messdaten sind auch für den marinen Bereich wichtig. Dort dienen sie dazu, den Meeresspiegelanstieg zu erforschen. Anhand von Schwerefelddaten lässt sich ermitteln, wie groß der Anteil von zusätzlichem Wasser von schmelzenden Gletschern an den steigenden Pegeln ist und welcher Anteil auf die wärmebedingte Ausdehnung des vorhandenen Meerwassers zurückzuführen ist.

Wettervorhersage verbessern

Ein weiteres Ziel von GRACE-FO ist die Messung von Zustandsparametern der Atmosphäre mit Hilfe sogenannter GPS-Radio-Okkultation. Die Methode beruht auf dem Umstand, dass die von GRACE-FO empfangenen Funksignale hinter der Erde verschwindender GPS-Satelliten infolge temperatur- und feuchtebedingter Dichteänderungen der Atmosphäre unterschiedlich stark gebrochen werden.

Diese Änderungen lassen sich aus den GPS-Signalen, die an Bord der Satelliten aufgezeichnet werden, rekonstruieren. Die Atmosphäre-Messungen von GRACE-FO werden vom GFZ mit einer Verzögerung von etwa zwei Stunden an verschiedene internationale Wetterzentren geliefert, um deren tägliche Vorhersagen zu verbessern.

Satellitengespann misst Schwerefeld

Das Prinzip der Schwerefeldmessung ist, dass die beiden Satelliten den Globus auf derselben Umlaufbahn umrunden und dabei im Abstand von etwa 220 Kilometern hintereinander herfliegen. Mit Mikrowellen messen sie permanent ihre Distanz zueinander.

Wenn sich der erste Satellit einer Region mit erhöhter Schwerkraft annähert, wird er leicht angezogen und dadurch geringfügig beschleunigt. Der Abstand zwischen den beiden Satelliten vergrößert sich. Diese Abweichung verrät, wie groß die Anziehungskraft der Erde und damit das Schwerefeld an dieser Stelle ist.

Präzise Messungen jenseits aller Vorstellung

Flechtner kann sich noch gut an seine anfängliche Skepsis gegenüber der hohen Messgenauigkeit bei GRACE erinnern: "Das klang für mich alles sehr fantastisch", so der Wissenschaftler. "Ich kam aus einer Welt, die den Abstand zwischen zwei Punkten im Millimeter- bis Zentimeterbereich gemessen hat. Und dann hieß es plötzlich, wir können den Abstand zwischen zwei Satelliten im Weltraum kontinuierlich bis auf einen Mikrometer genau messen."

Dass diese enorme Präzision möglich ist, haben die Geowissenschaftler in den vergangenen 15 Jahren bewiesen. "Auf der aktuellen Mission werden wir sogar diesen Mikrometer noch toppen und Messungen im Nanometerbereich durchführen", so Flechtner. Dazu verwenden die Forscher einen Technologiedemonstrator, der wesentlich in Deutschland entwickelt wurde, ein sogenanntes Laser Ranging Interferometer.

Die Erde ist eine Kartoffel

Bereits in den Vorgängerprojekten haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler spannende Erkenntnisse über unseren Planeten gewonnen. So entstand beispielsweise das als "Potsdamer Kartoffel" bekannt gewordene Abbild der Erde, das die unterschiedlich verteilte Erdanziehungskraft als Beulen und Dellen darstellt.

Außerdem zeigte die Vorgängermission GRACE, dass der Eismassenverlust in Grönland zwischen 2002 und 2016 rund 270 Milliarden Tonnen pro Jahr betrug. Flechtner betont, dass GRACE-FO die Entwicklung in Grönland, aber auch in der Antarktis und anderen Eisregionen, weiterhin verfolgen und aktuelle Daten liefern werde.

"Wir freuen uns sehr, dass mit GRACE Follow-On die überaus erfolgreichen Messungen der Vorgängermission GRACE, die von 2002 bis 2017 aktiv war, fortgesetzt werden", sagt Professor Reinhard Hüttl, Wissenschaftlicher Vorstand des GFZ, das die deutschen Beiträge zu der Mission leitet. "Dies erlaubt es, nicht nur aktuelle Änderungen im System Erde zu erfassen, sondern auch langfristige Trends zu identifizieren, die mitunter erst über mehrere Jahre oder gar Jahrzehnte zutage treten."

Nach dem erfolgreichen Start werden die Satelliten nun schrittweise in Betrieb genommen und für den dauerhaften Einsatz vorbereitet. Die beteiligten Forscher werden im Dezember 2018 die ersten wissenschaftlichen Instrumentendaten an die Nutzer verteilen. Im Februar 2019 werden sie die ersten Schwerefeldkarten veröffentlichen.

Beitrag teilen