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GRACE-Mission endet Erfolgreiche Vermessung der Erdgravitation

Nach 15 Jahren endet die Klima-Mission GRACE. Die beiden Zwillingssatelliten verfolgten sich seit ihrem Start gleichbleibend in geringem Abstand in der Erdumlaufbahn. Sie halfen das Erdgravitationsfeld und seine Veränderungen genau zu vermessen.

Stand: 09.11.2017

Die GRACE-Mission: Zwillingssatelliten vermessen das Erdgravitationsfeld. | Bild: picture-alliance/dpa

Am 17. März 2002 starteten die baugleichen Zwillingssatelliten der Mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) in die Erdumlaufbahn. Seither verfolgten sich GRACE-1 und GRACE-2, die auch "Tom und Jerry" genannt wurden, in engem Verfolgungsflug. Weil ihre Mission so erfolgreich war, waren die beiden Satelliten mehr als dreimal so lang im Dienst als eigentlich angedacht war. Doch nun ist Schluss mit der Mission: Immer mehr Batteriezellen funktionieren nicht mehr und auch die Energiereserven reichen für einen regulären Betrieb nicht mehr aus.

Die präzisen Daten, die die Zwillingssatelliten vom Erdgravitationsfeld und seinen Veränderungen lieferten, wurden für Berechnungen zur Nutzung von Grundwasserbecken, zur Hochwasservorhersage oder für Prognosen zum Abschmelzen der Pole verwendet.

"Die Messungen haben gezeigt, wie im Lauf der Zeit Wasser, Eis und festes Material auf der Erde bewegt werden. Diese Daten helfen uns, beispielsweise Veränderungen des Grundwassers oder den Gletscherschwund genau zu dokumentieren. Auch dessen Einfluss auf den Meeresspiegelanstieg lässt sich dank unserer GRACE-Messungen aufdecken."

Reinhard Hüttl, Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam

Minimale Schwankungen der Schwerkraft

GRACE-Mission

Betrieben wurde die Satellitenmission vom GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das die Mission von Oberpfaffenhofen aus steuerte sowie dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Finanziert wurde der Missionsbetrieb durch das GFZ Potsdam, das DLR und durch ein Programm der europäischen Raumfahrtagentur ESA.

GRACE startete mit einer damals neuen Idee: Messungen der Masse sollten dazu dienen, Informationen über das System Erde zu erhalten. Der größte Teil der Erdanziehungskraft rührt von der Masse im Erdinnern. Nur ein winziger Bruchteil geht auf Wasser unter oder nahe der Oberfläche zurück, das sich schneller verändert und bewegt als das zähe Gestein des Erdinnern. Aus den Bewegungen von Ozeanen, Meeren, Flüssen, Seen oder Gletschern resultieren minimale Schwerkraftsveränderungen. Und die wurden von den beiden Satelliten gemessen. Denn die Masseanziehung beeinflusst die Bahn der Satelliten und ihre Geschwindigkeit.

Die Erde ist eine Kartoffel

Umkreisten die beiden Kleinsatelliten die Erde in einem Abstand von 220 Kilometern im immer gleichem Abstand hintereinander, so veränderte sich ihre Bahn und ihre Geschwindigkeit durch diese winzigen Veränderungen. Der Vorausfliegende wurde jeweils früher beeinflusst und der Abstand zwischen beiden veränderte sich minimal. Diese "Verrückungen" wurden aufgezeichnet. Aus den Daten erstellten die Forscher monatliche Karten der regionalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der daraus resultierenden Veränderungen der Massen. Diese GRACE-Karten bilden durchschnittlich eine Fläche ab, die doppelt so groß wie Bayern ist.

Wozu die GRACE-Daten dienen

Grundwasserbeobachtung

Dank der Daten von GRACE konnte Grundwasser entdeckt werden, das in Böden und wasserführenden Gesteinsschichten gespeichert ist. Der Hydrologe Matt Rodell vom Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland (USA) nutzt diese Daten dazu, immer mehr Grundwasserdepots zu identifizieren, die die Menschen schneller leeren, als sie sich wieder erneuern können. 2015 wurde auf Basis der GRACE-Daten eine Übersicht veröffentlicht, die zeigt, wie weltweit ein Drittel der größten Grundwasserbecken dramatisch an Wasser verlieren.

Daten über Abschmelzen von Eis

Wissenschaftler, die sich mit den arktischen und antarktischen Eismassen befassen, haben als erste die Daten von GRACE genutzt. Dank diseer Daten konnte der Masseverlust der Eisschilde kontinuierlich nachgewiesen werden. Es stellte sich heraus, dass der Masseverlust sowohl auf Grönland als in der Antarktis weitaus dramatischer war, als vorher angenommen. Seit dem Start von GRACE im Jahr 2002 hat Grönland 280 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr verloren. Die Antarktis rund 120 Milliarden Tonnen.

Daten über Veränderung bei Inlandsgletschern

Auch der Masseverlust von Inlandsgletschern weltweit wird mit GRACE-Daten dokumentiert. So hat ein Forscherteam unter der Leitung der GFZ-Wissenschaftler Daniel Farinotti und Andreas Günther anhand der Daten abgeschätzt, dass das chinesische Tian Shan-Gebirge derzeit jährlich doppelt so viel Eis verliert wie ganz Deutschland an Wasser pro Jahr verbraucht. Gekoppelt an ein glaziologisches Modell kam heraus, dass die Hälfte des Gletschereises des Tian Shan im Jahr 2050 verschwunden sein wird.

Hochwasservorhersage

Um die Entstehung und Entwicklung von Flutwellen abschätzen zu können, sind Informationen in nahezu Echtzeit (near-real time, kurz NRT) erforderlich. Für große Einzugsgebiete ergeben sich so Vorwarnzeiten von einigen Tagen. In einem von der Europäischen Union geförderten Projekt sollen solche NRT-Daten zum Schwerefeld und korrespondierende Indikatoren für Fluten zusammengeführt werden. Der Testbetrieb startete am 1. April 2017 im Zentrum für Satellitengestützte Kriseninformationen (ZKI) am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen.

Daten über die Ozeandynamik

Meerwasser erwärmt sich und dehnt sich aus. Es verändert sich durch Zufluss aus Gletscherregionen und Eisschilden. Beides trägt zum Meeresspiegelanstieg bei. Um nun genauer herauszufinden, was die Ursache für die temperaturbedingte Ausdehnung des Wassers ist, braucht man die Daten über die Masseverteilung des Wassers. So eine Untersuchung hat zum Beispiel Inga Bergmann vom GFZ mit GRACE-Daten für den antarktischen Zrkumpolarstrom gemacht und konnte so einen großräumigeren Blick auf die Dynamik der Meeresströmung geben als bisherige Messungen vor Ort.

Daten über das Erdinnere

Durch die Masseverschiebungen des oberflächlichen Wassers bewegt sich auch der zähflüssige Mantel unter der Erdkruste minimal. Forscher haben mittels der GRACE-Daten herausgefunden, wie der Verlust der Eisschilde und der Schwund des Grundwassers die Erdrotation verändern, weil sich das System diesen Massebwegungen anpasst.

Daten über die Atmosphäre

Neben den Daten zum Erdgravitationsfeld wurden bei der GRACE-Mission auch täglich über 150 sehr genaue weltweit verteilte vertikale Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile erstellt.

"Diese Messungen sind von größtem Interesse für Wetterdienste und Studien zum Klimawandel."

Jens Wickert, GFZ Potsdam

Diese Profile wurden spätestens zwei Stunden nach Messung von einem der Satelliten zu einem der weltweiten Wetterzentren wie MeteoFrance, den DWD oder das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (EZMW) weitergeleitet. Dort sollten sie auch dazu dienen, die globalen Vorhersagen zu verbessern.

Kontrolliertes Verglühen der Satelliten

Einer der GRACE-Satelliten wenige Monate vor dem Start der Mission.

GRACE-1 wird in den kommenden Wochen kontrolliert außer Betrieb genommen und auch GRACE-2 wird durch den Widerstand der Restatmosphäre ohne Treibstoff schnell absinken. Die Gefahr, dass beide Satelliten dann kollidieren könnten, besteht laut GFZ nicht. Die Flugbahn von GRACE-2 stellt auch keine Gefahr für andere aktive Satelliten dar, betont das DLR. Entsprechend der NASA-Bestimmungen sind beide GRACE-Satelliten so gebaut, dass sie beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auseinanderfallen und fast vollständig verglühen.

Missions-Nachfolger GRACE Follow-On

Angekündigt ist auf jeden Fall schon eine Nachfolge-Mission: Im Frühjahr 2018 soll GRACE Follow-On mit einer Falcon-9-Rakete der US-Firma SpaceX vom kalifornischen Vandenberg starten. Diese Mission soll die Messung von Abstand und relativer Geschwindigkeit zwischen den beiden Satelliten weiterführen. Und auch sie basiert auf der Messung von Mikrowellen, wird aber noch durch eine zusätzliche Messung mit Lasern ergänzt. Dadurch soll die Genauigkeit weiter erhöht werden.

"Satelliten-Mission - Wie GRACE die Erde beobachtet": in IQ - Wissenschaft und Forschung, Bayern 2, 10.11.2017, 18.05 Uhr


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HinterTürkisch, Samstag, 11.November, 17:47 Uhr

1. Beobachtung von Weltraumschrott?

Das, was in obigem Artikel über Abstandsmessungen gesagt wird, könnte doch VIELLEICHT auf schon in der Erdumlaufbahn befindliche, künstliche Satelliten (und sofern sie gross und damit beobachtbar genug wären) auch Satellitenbruchstücke ausgedehnt werden? Die ISS wird ja voraussichtlich noch eine Zeit lang betrieben werden und auch dort könnte doch VIELLEICHT auch mit den immer wiederkehrenden An- und Abflügen der bislang verwendeten Versorgungsraumschifftypen diese Art Experiment wiederholt und/ oder zum Standard erhoben werden...?