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Satelliten messen das Schwerefeld der Erde

Klimaforschung aus dem Erdorbit – Teil zwei

| Autor/ Redakteur: Josef Zens* / Christian Lüttmann

Mit höchster Präzision messen zwei NASA-Satelliten Änderungen im Gravitationsfeld der Erde – und lassen darüber Rückschlüsse auf die Folgen des Klimawandels zu. „Grace-FO“ ist bereits die zweite Mission dieser Art, die u.a. Erkenntnisse über die Eisschmelze, den Anstieg des Meeresspiegels oder die Wasservorräte im Boden bringt. Bis voraussichtlich 2023 soll das Satelliten-Duo regelmäßig Daten übermitteln, die ersten Ergebnisse liegen bereits vor.

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Illustration von GRACE-FO
Illustration von GRACE-FO
(Bild: Filmhaus Berlin, GFZ)

Potsdam – Ein neues Paar Augen kreist seit Ende Mai 2018 um die Erde. Die beiden Satelliten von Grace-FO umrunden den Planeten in ca. 490 km Höhe mit einem Abstand von 220 km zueinander.

Sie sind die Nachfolger der Grace-Mission des Deutschen Geo-Forschungszentrums (GFZ) und der NASA, die von 2002 bis 2017 das Schwerefeld der Erde als Tagebuch des Klimawandels aufzeichnete. Nun vermessen die Grace-FO-Satelliten kontinuierlich das Schwerefeld der Erde und setzen damit die erfolgreiche Grace-Mission fort. Das Kürzel steht für Gravity Recovery And Climate Experiment, FO steht für Follow-On, also Nachfolgemission.

Den Klimawandel per Gravitation messen

Aus winzigen Abstandsänderungen, die oft kleiner sind als der Durchmesser eines Haares, lassen sich Rückschlüsse auf das Schwerefeld der überflogenen Gebiete ziehen. Die Verlagerung großer Massen führt zu Änderungen des Schwerefelds. So können auch sich verändernde Eis- und Wassermassen verfolgt werden. Die Grace-Daten zeigen etwa, dass jedes Jahr mehr als 280 Milliarden Tonnen an Wasser aus Grönland ins Meer abfließen. Diese Eisschmelze lässt den Meeresspiegel zusätzlich zur thermischen Ausdehnung der Ozeane steigen.

Wie sich der Trend fortsetzt, ob sich das Schmelzen verlangsamt oder beschleunigt, das werden erst die kommenden Jahre zeigen, auch mithilfe von Grace-FO. „Wir sehen auf jeden Fall, dass wir die Datenreihen wie erhofft fortsetzen können“, sagt der leitende Wissenschaftler Frank Flechtner vom GFZ. Nach dem Einschalten und umfangreichen Tests der Instrumente im All stehen die Grace-FO-Daten zu monatlichen Änderungen des Schwerefelds jetzt für die weltweite Gemeinde der Forschenden zur Verfügung; die ersten Daten liegen bereits vor.

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Gemessene Daten tilgen Zweifel an Machbarkeit

In den neuen Daten zeigen sich u.a. die Dürremonate des Jahres 2018 sehr deutlich. Zentraleuropa und hier vor allem Deutschland waren von der Austrocknung der Böden besonders betroffen. Die Folgen sind in diesem Jahr immer noch spürbar: Viele Wälder in Deutschland stehen unter Trockenstress, Borkenkäfer und andere Schädlinge haben sich in Forsten ausgebreitet. „Die Daten von Grace und Grace-Follow On sind von außerordentlichem Stellenwert für das Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels“, sagt Reinhard Hüttl, Wissenschaftlicher Direktor und Vorstandsvorsitzender des GFZ. „Hier zeigen sich die Bedeutung von Grundlagenforschung und deren rasche Überführung in die Anwendung ganz klar.“

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

Die Idee, das Schwerefeld der Erde per Satellit zu vermessen, war zunächst von Zweifeln begleitet, ob das überhaupt machbar sei. Doch nach den Ergebnissen der Grace-Mission zeigte sich die Breite der Anwendungen: Grundwasserausbeutung in Kalifornien lässt sich ebenso nachweisen wie Fluten im Amazonas-Einzugsgebiet. Eine kurzfristige Verlangsamung des Meeresspiegelanstiegs ließ sich nach Auswertung der Schwerefelder auf verheerende Fluten in Australien zurückführen. Dort war nach extremen Regenfällen Wasser für einige Monate an Land gebunden, bevor es wieder in die Ozeane gelangte.

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Die Beteiligten am Projekt Grace

Die Grace- und Grace-FO-Missionen sind eine Kooperation des GFZ, der US-Weltraumbehörde NASA, des Jet Propulson Laboratory (JPL) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR. Grace-FO trägt außerdem ein Laser-Ranging-Interferometer (LRI) an Bord, dessen optisches Design vom Albert-Einstein-Institut – Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover kommt und das von der Firma Space Tech am Bodensee im Auftrag des GFZ gebaut wurde. Die elektronischen Komponenten und den Laser steuerte der Partner JPL bei. Mit dem LRI sind extrem genaue Abstandsmessungen im Nanometer-Bereich möglich, die unter anderem als Herzstück eines künftigen Weltraumteleskops helfen sollen, Gravitationswellen zu detektieren.

„Wir sind gespannt auf die weiteren Daten von Grace-FO und wir arbeiten bereits an Konzepten, wie wir die Messreihen mit weiteren Satellitenmissionen fortführen können“, sagt GFZ-Wissenschaftler Flechtner.

Welche Erkenntnisse die Vorgängermission Grace über die Klimafolgen gebracht hat, lesen Sie hier:

Weitere Informationen zu dem Projekt sowie interaktive Karten mit Visualisierungen der Messdaten finden Sie auf der Projekthomepage gravis.gfz-potsdam.de/home.

* J. Zens: Geoforschungszentrum Potsdam, 14473 Potsdam

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