GOCE in Testhalle

Der Satellit GOCE – Gravitationsmessung und vieles mehr

Die Erde ist eine bunte Kartoffel. Jedenfalls sieht sie so aus, wenn Geophysiker die Schwerkraft des Planeten darstellen. Seit 2009 vermisst der Satellit GOCE die räumlichen Abweichungen der Erdanziehung noch genauer als seine Vorgänger. Von den hochpräzisen Messungen des Gravitationsfelds versprechen sich Geologen, Geodäten, Ozeanographen und Glaziologen wertvolle Erkenntnisse.

Infografik. Kartoffelförmiger Körper mit Schrammen und Erhebungen. Flächen gleichen Schwerkraftpotentials sind farbig voneinander abgehoben: Der indische Ozean hat demnach ein besonders niedriges Gravitationspotential, im Nordatlantik ist es hoch.
Geoid: Äquipotentialfläche des Schwerefeldes der Erde

Vom russischen Plesetsk-Kosmodrom aus wurde der ESA-Satellit am 17. März 2009 mit einer Rockot-Trägerrakete in den Orbit befördert. Die Abkürzung GOCE steht für „Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer“. Auf Deutsch heißt das so viel wie „Erkundung des Gravitationsfelds und des stationären Zustands der Ozeanzirkulation“.

Um das Schwerefeld der Erde zu bestimmen, muss die Position des Satelliten präzise erfasst werden. Dazu dient an Bord von GOCE ein GPS-Empfänger, der die Signale von bis zu zwölf GPS-Satelliten registriert. Anhand der Bahnveränderungen lässt sich das Gravitationsfeld der Erde in groben Zügen berechnen. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler einen Laserreflektor in GOCE eingebaut. Mit ihm soll die Position des Satelliten von Zeit zu Zeit überprüft werden, was mittels Laserstrahlen vom Boden aus geschieht.

Um feine Variationen der Erdgravitation zu messen, reicht die GPS-Lokalisierung jedoch nicht aus. Die Forscher nutzen darum zusätzlich einen elektrostatischen Gravitationgradiometer. Dieses Instrument, das erste seiner Art, setzt sich aus sechs Sensoren zusammen. Sie dienen zur Messung der Beschleunigung und sind paarweise angeordnet. In einer Art Kondensatorkäfig wird durch elektrostatische Kräfte jeweils eine kleine Probemasse in der Schwebe gehalten – ein 320 Gramm schwerer Platin-Rhodium-Quader. Wegen der schwankenden Erdbeschleunigung müssen die elektrostatischen Kräfte ständig variiert werden, sonst würde die Probemasse gegen die Kondensatorwände stoßen. Aufgrund der leicht unterschiedlichen Entfernung zur Erde treten geringfügige Differenzen im Gravitationssignal der Sensoren auf. Diese Differenzen lassen sich in die räumlichen Änderungen der Erdanziehungskraft umrechnen.

Infografik. Satellit GOCE fliegt über die Erdoberfläche. Funksignale von mehreren anderen Satelliten erreichen GOCE.
Lokalisierung per GPS

Offenkundig ist die Messung des Schwerefelds eine sensible Angelegenheit. Wichtige Bauteile des Satelliten wurden darum aus leichten, aber extrem stabilen Kohlefasern angefertigt, die sich obendrein bei Wärme kaum ausdehnen. Außerdem ist jede Bewegungsänderung, die nichts mit der Erdanziehung zu tun hat, tunlichst zu vermeiden. Darum wurde der Satellit vollständig starr gebaut, es gibt keine beweglichen Teile.

Damit GOCE ein starkes Signal der Erdgravitation messen kann, saust er so tief über die Erdoberfläche hinweg wie noch kein für wissenschaftliche Zwecke eingesetzter Satellit vor ihm, nämlich in einer Höhe von 250 bis 270 Kilometern. Dort ist sogar noch ein dünner Hauch von Erdatmosphäre anzutreffen. Überließe man den Satelliten sich selbst, dann würde er wegen der Reibung rasch in die Erdatmosphäre eintauchen. Das extra für GOCE entwickelte Lagekontrollsystem verhindert dies. Ein Ionenantrieb gleicht die Bremsung durch die Luftmoleküle exakt aus. Den Rest der Lagekorrekturen erledigen Magnetfeldresonanzspulen in ihrer Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld.

Foto. Der Satellit GOCE in einem Testlabor der ESA.
Thermo- und Vakuumtest

In erster Linie dient der neue Satellit dazu, das Schwerefeld der Erde so genau zu vermessen wie nie zuvor. Auf diese Weise wollen die Forscher ihr Modell des sogenannten Geoids verbessern. Das Geoid ist eine fiktive Hüllfläche um den Planeten, auf der konstantes Schwerepotenzial herrscht (Äquipotenzialfläche). Vereinfacht gesagt ist es die Fläche des global gedachten Meeresspiegels – das unbewegte Ozeanwasser würde die Gravitationsabweichungen der Erde theoretisch präzise ausgleichen.

Die Präzision, die man sich von den Messungen erwartet, ist enorm. Das Geoid soll mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Zentimetern bestimmt werden. Die Erdbeschleunigung will man bis auf ein Millionstel der Erdbeschleunigung g genau berechnen. In beiden Fällen soll die räumliche Auflösung mindestens 100 Kilometer betragen.

Derzeit existieren auf der Erde noch viele verschiedene geodätische Höhensysteme nebeneinander, die nicht ausreichend aufeinander abgestimmt sind. Das dürfte sich durch den ESA-Satelliten ändern. Anhand des präzisierten Geoids will man ein einheitliches Höhensystem schaffen. Die Daten, die GOCE liefert, sollen Geowissenschaftlern aber auch in vielen anderen Forschungsbereichen weiterhelfen.

Fakten zu GOCE

Start:

März 2009, Kosmodrom Plesetsk,
Russland

Dauer:

20 Monate

Länge des Satelliten:

5 Meter

Höhe, Breite:

1 Meter (ohne
Solarpaneele)

Masse:

1,1 Tonnen

Stromversorgung:

Solarzellen aus Galliumarsenid
plus Lithiumbatterie

Orbit:

sonnensynchron, eine
Erdumrundung pro 90 min

Bahnhöhe:

250–270 km

Vor allen Dingen lässt sich mit dem Satelliten die Oberflächenzirkulation der Ozeane präziser messen als bisher. Denn Meeresströme sind mit Verlagerungen der Wassermasse verbunden. Die Abweichung der Zirkulation von der Geoidform kann man sich wie flache Berge und Täler im Meer vorstellen, mit einer Amplitude von maximal zwei Metern. Die Auslenkungen sind proportional zum Geschwindigkeitsfeld der Ozeane. Von GOCE wird diese Topographie der Meere erstmals weltweit im Detail erfasst. Darüber hinaus helfen die Messungen, den Anstieg des Meeresspiegels genauer zu bestimmen. Zum ersten Mal sollen die Pegelstationen an den Küsten mit weltweit gültigen Referenzhöhen rechnen können.

Die Satellitendaten werden außerdem dazu beitragen, das Meereis sowie die Gletscherfelder in der Antarktis und auf Grönland präziser zu vermessen. Und schließlich verspricht man sich von GOCE verbesserte Kenntnisse über den Aufbau der Erdkruste. Vor allem die Subduktionszonen, an denen eine tektonische Platte unter eine andere abtaucht und wo oft die Erde bebt, können mit den neuen Daten detaillierter beschrieben werden.

Nach einer dreimonatigen Kalibrierungsphase soll GOCE 17 weitere Monate in Betrieb sein. Wenn alles klappt, wird der neue Satellit die Resultate der früheren Gravitationsmessungen mit den Satelliten CHAMP und GRACE für das statische Schwerefeld locker in den Schatten stellen.

Das Schwerefeld der Erde

Das Schwerefeld der Erde

Infografik. Kartoffelförmiger Körper mit Schrammen und Erhebungen. Flächen gleichen Schwerkraftpotentials sind farbig voneinander abgehoben: Der indische Ozean hat demnach ein besonders niedriges Gravitationspotential, im Nordatlantik ist es hoch.
Geoid: Äquipotentialfläche des Schwerefeldes der Erde

Ob man auf dem Äquator steht oder am Südpol macht sich nicht nur bei den Temperaturen bemerkbar, auch das Gewicht ist hier ein anderes: Ein Mensch würde in der Antarktis zum Beispiel einige hundert Gramm mehr wiegen. Denn die Anziehungskraft der Erde ist hier minimal größer als am Äquator. Die regionalen Unterschiede im Schwerefeld haben mehrere Ursachen. So ist die Masse auf der Erde nicht gleichmäßig verteilt: Es gibt Berge und Täler und ohnehin ist die Welt keine perfekte Kugel – stattdessen ist sie an den Polen abgeplattet. Zum anderen ist auch die Dichte nicht überall gleich – sowohl in der Erdkruste als auch im Erdmantel und Kern.

Aber auch die aus der Erdrotation resultierende Fliehkraft, die der Gravitation entgegenwirkt und am Äquator am größten ist, spielt eine Rolle. Außerdem tragen auch die Gezeiten minimal zum Erdschwerefeld bei. Alle diese Faktoren bestimmen letztlich, wie schwer ein Körper an irgendeinem Ort dieser Welt ist und wie schnell er dort zu Boden fällt. Bei der oft angegebenen Erdbeschleunigung von 9,81 Meter pro Sekundenquadrat handelt es sich also nur um einen Mittelwert.