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Klimaforschung aus dem Erdorbit

Das Schwerefeld der Erde als Tagebuch des Klimawandels

| Autor/ Redakteur: Dr. Folke Mehrtens* / Christian Lüttmann

Gletscher schmelzen, Süßwasservorräte schrumpfen, der Meeresspiegel steigt – viele Effekte des Klimawandels sorgen für eine Umverteilung von Masse auf der Erde. Diese Veränderungen hat das Satellitenduo „Grace“ 15 Jahre lang per Gravitationsmessung aufgezeichnet. Mit den gewonnenen Daten konnte z.B. erstmals der tatsächliche Verlust von Eismasse an den Polen gemessen statt nur abgeschätzt werden. Dieses und weitere Ergebnisse der Grace-Mission lesen Sie im folgenden Beitrag.

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Illustration des Satellitenduos „Grace“ im Orbit
Illustration des Satellitenduos „Grace“ im Orbit
(Bild: NASA/JPL-Caltech)

Bremerhaven – Am 17. März 2002 startete das deutsch-US-amerikanische Satellitenduo „Grace“ (Gravity Recovery and Climate Experiment), um das globale Erdschwerefeld so präzise zu kartieren wie nie zuvor. Die Mission dauerte schließlich gut 15 Jahre – und damit mehr als dreimal so lang wie erwartet. Als die beiden Satelliten Ende 2017 bzw. Anfang 2018 in der Erdatmosphäre verglühten, hatten sie das Gravitationsfeld der Erde und dessen Veränderungen mit der Zeit aufgezeichnet.

Diese so genannte zeitaufgelöste Satellitengravimetrie ermöglicht es u.a., den irdischen Wasserkreislauf, die Massenbilanz von Eisschilden und Gletschern oder die Veränderung des Meeresspiegels zu überwachen und so die Mechanismen des globalen Klimasystems besser zu verstehen, wichtige Trends genauer zu bewerten und mögliche Folgen vorherzusagen.

In einer Übersichtsarbeit haben Forscher nun Highlights im Bereich Klimaforschung vorgestellt, die auf Grace-Beobachtungen beruhen. Unter den beteiligten Wissenschaftlern sind auch Frank Flechtner, Christoph Reigber, Christoph Dahle und Henryk Dobslaw vom Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ und Ingo Sasgen vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI).

So viel Eis verliert die Antarktis

Grace erzeugte die erste direkte Messung des Eismassenverlustes von Eisschilden und Gletschern überhaupt. Zuvor war es lediglich möglich gewesen, die Massen und ihre Veränderungen über indirekte Methoden abzuschätzen. Bereits innerhalb der ersten zwei Jahre der Mission gelang es, klare Signale des Eismassenverlustes in Grönland und der Antarktis zu beobachten.

Aus den Messdaten ließ sich ableiten, dass 60 Prozent des Massenverlusts in Grönland auf ein stärkeres Schmelzen aufgrund höherer Temperaturen zurückgehen, während 40 Prozent sich auf Bewegungen des Eises zurückführen lassen. Nach den Grace-Daten hat zwischen April 2002 und Juni 2017 Grönland jährlich etwa 260 Milliarden Tonnen Eis verloren. Mit dieser Menge Schmelzwasser ließe sich der Bodensee etwa fünfeinhalbmal füllen. In der Antarktis gingen rund 140 Milliarden Tonnen Eis – etwa drei Bodenseen – verloren. Neben langjährigen Trends liefern die Schwerefeld-Daten auch Belege für die direkten Auswirkungen globaler Klimaphänomene wie „El Niño“ auf Eisschilde und Gletscher weltweit.

Animation des Satelliten-Duos Grace-FO, der Nachfolgemission zu Grace, vom Deutschen GeoForschungsZentrum:

Mittlere Breiten verlieren an Süßwasser

Zu den wirkungsmächtigsten Beiträgen der Grace-Mission gehört die Enthüllung der sich verändernden Süßwasserlandschaft der Erde. Diese Veränderungen haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Sicherheit der Wasser- und Nahrungsmittelversorgung und somit auch die Menschen. Die von Grace offengelegten Trends deuten auf eine zunehmende Wasserspeicherung in hohen und niederen Breitengraden hin, während die Speicherung in mittleren Breiten abnimmt. Obwohl die Aufzeichnungen des Satellitenduos nur relativ kurz zurückreichen, war diese Beobachtung weitreichender Veränderungen im globalen Wasserkreislauf eine wichtige frühzeitige Bestätigung der von den Klimamodellen für das 21. Jahrhundert vorhergesagten Veränderungen.

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Die Grace-Daten helfen auch dabei, die Höhe des Meeresspiegels genauer analysieren und beurteilen zu können, denn die Speicherung von Süßwasser an Land ist über verschiedene Mechanismen mit der Höhe des Meeresspiegels verbunden. Die Ergebnisse bestätigen eine übermäßige Grundwasserentnahme aus einzelnen Grundwasserleitern auf der ganzen Erde. Die Daten zur irdischen Wasserspeicherung haben außerdem zur Überprüfung und Verbesserung verschiedener Klimamodelle beigetragen.

Meeresanstieg beruht zu fast 30% auf Wärmeausdehnung des Wassers

Innerhalb dieses Jahrhunderts könnte sich der Anstieg des Meeresspiegels auf 10 Millimeter pro Jahr beschleunigen – ein in den vergangenen 5000 Jahren nie erreichter Wert und eine tiefgreifende und direkte Folge eines sich erwärmenden Klimas, wie die an der Auswertung der Satellitendaten beteiligten Forscher betonen. Zwar gibt es seit Anfang der 1990er Jahre hochpräzise Meeresspiegelmessungen, aber diese zeigen nur die absolute Höhenänderung der Meeresoberfläche und nicht, wie sich diese Erhöhung zusammensetzt. In den 25 Jahren zwischen 1993 und 2017 stieg der Meeresspiegel demnach jährlich um durchschnittlich 3,1 Millimeter.

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Um herauszufinden, wie sich verschiedene Faktoren wie die wärmebedingte Ausdehnung des Wassers, schmelzendes Eis und der Zufluss von Land jeweils auf den Meeresspiegel auswirken, muss man die Massenverteilung des Wassers untersuchen. Mithilfe von Grace ließ sich feststellen, dass von dem durchschnittlichen jährlichen Meeresspiegelanstieg um 3,8 Millimeter zwischen 2005 und 2017 2,5 Millimeter auf den Zufluss von Wasser oder anderer Masse zurückgehen und 1,1 Millimeter auf die Wärmeausdehnung des Wassers. Diese Zusammensetzung zu entschlüsseln ist für Prognosen der Meeresspiegelhöhe wichtig.

Grace-Daten liefern eine obere Schranke für die Veränderung der Ozeanmasse und somit indirekt auch eine für die Energiebilanz der Erde, die ein grundlegendes globales Maß des Klimawandels darstellt. So konnte gezeigt werden, dass der Großteil der durch den Temperaturanstieg freiwerdenden Wärme in den oberen 2000 Metern der Meere, die die wichtigste Energiesenke des Klimawandels sind, verbleibt. Grace trägt außerdem dazu bei, die Dynamik und den Einfluss von Meeresströmungen besser zu verstehen und entsprechende Modelle zu verfeinern, insbesondere für den arktischen Ozean. Insgesamt ermöglichen die Daten der Satellitenmission tiefergehende Einblicke in die Veränderungen des Klimas und stellen einen wertvollen Beitrag zur Klimaforschung dar.

Originalpublikation: Byron D. Tapley, Michael M. Watkins, Frank Flechtner, Christoph Reigber, Srinivas Bettadpur, Matthew Rodell, Ingo Sasgen, James S. Famiglietti, Felix W. Landerer, Don P. Chamber, John T. Reager, Alex S. Gardner, Himanshu Save, Erik R. Ivins, Sean C. Swenson, Carmen Boening, Christoph Dahle, David N. Wiese, Henryk Dobslaw, Mark E. Tamisiea and Isabella Velicogna: Contributions of Grace to understanding climate change. 2019. Nature Climate Change; DOI: 10.1038/s41558-019-0456-2

* Dr. F. Mehrtens, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, 27570 Bremerhaven

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