GRACE

Der Tandemsatellit GRACE

Seit 2002 umrunden die beiden Satelliten der GRACE-Mission die Erde und vermessen das Schwerefeld unseres Planeten so präzise, dass die Daten unter anderem Aufschluss über austrocknende Grundwasserspeicher, das Abschmelzen der Gletscher oder die innere Struktur der Erde geben.

Das „Gravity Recovery and Climate Experiment“, kurz GRACE, ist ein Gemeinschaftsprojekt der amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. Seit März 2002 umrunden dazu zwei baugleiche Satelliten die Erde in einer Höhe von rund 500 Kilometern, um das Schwerefeld unseres Planeten zu messen.

Computergrafik. Vor dem Hintergrund der Erde fliegt im Vordergrund ein prismenförmiger Satellit, oben ganz von Solarzellen bedeckt. Die Kommunikation mit seinem identischen Partnersatelliten, klein im Hintergrund, ist durch einen hellen Strahl zwischen den Satelliten angedeutet.
Satellitenduo GRACE

Die beiden halten in ihrem gemeinsamen Orbit einen Abstand von rund 220 Kilometern. Überfliegt der erste Satellit nun eine Region mit erhöhter Schwerkraft, wird zunächst er und wenig später der nachfolgende Satellit beschleunigt. Dadurch nimmt die Distanz zwischen den beiden für einen kurzen Moment minimal zu – um weniger als eine Haaresbreite. Was dem menschlichen Auge verborgen bleibt, wird durch Mikrowellenpulse messbar. Diese senden die Satelliten ständig untereinander hin und her. Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, USA, dem Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam sowie an der Universität von Texas in Austin, USA, erfassen die Laufzeit der Pulse, leiten daraus den jeweiligen Abstand der beiden Satelliten ab und berechnen aus diesen Informationen schließlich das Schwerefeld unseres Planeten.

Dabei müssen sie Störeffekte wie etwa Massenumverlagerungen in der Atmosphäre und in den Ozeanen, den Luftwiderstand in der Umlaufbahn oder den Strahlungsdruck der Sonne heraus rechnen. Im Lauf eines Monats liefert GRACE genügend Daten, um das Schwerefeld der gesamten Erde zu berechnen. Die räumliche Auflösung beträgt dabei einige hundert Kilometer. Das Ergebnis der Messungen lässt sich zum Beispiel in einem sogenannten Geoid – einer hypothetischen Fläche gleicher Gravitationskraft – veranschaulichen, das im Fall der Erde mit seinen vielen Dellen und Beulen eher an eine Kartoffel erinnert als an eine Kugel. Dennoch stimmt dieser abstrakte Körper annähernd mit der Oberfläche der Ozeane überein.

Die GRACE-Messungen liefern interessante Informationen über die Verteilung von Masse in und auf der Erde: Etwa über sich verlagernde Meeresströmungen, sowohl an der Oberfläche als auch in der Tiefe der Ozeane, den Wasserkreislauf der Erde wie Änderungen im Grundwasserspeicher, das Abschmelzen der Gletscher und dem Wasseraustausch mit den Ozeanen, oder deren innere Struktur. Da GRACE jeden Monat aktualisierte Daten des terrestrischen Gravitationsfelds liefert, lassen sich jahreszeitlich bedingte Änderungen verfolgen, aber auch längerfristige Prozesse, wie der Klimawandel, oder die geologischen Folgen von Erdbeben.

Die Karte des indischen Subkontinents ist von farkodierten Bereichen überlagert. In Nordindien zeigt eine tiefrot gefärbte Ellipse starke Wasserverluste, der Süden des Landes bis auf die Südspitze ist blau für eine Erhöhung des Grundwasserspiegels eingefärbt.
Grundwasser in Indien

In der Arktis fanden Wissenschaftler mit Hilfe von GRACE zum Beispiel heraus, dass das Eisschild, das große Teile von Grönland bedeckt, schrumpft, und dies mit zunehmender Geschwindigkeit. Die abnehmende Schwerkraft über der Eisdecke lässt auf einen Verlust von etwa 170 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr zwischen 2002 und 2008 schließen. Allein dadurch steigt der Meeresspiegel etwa um 0,55 Millimeter pro Jahr.

Aber auch auf Land können sich die Schwerkraftverhältnisse ändern, Ursache sind zum Beispiel austrocknende Flussgebiete. Im Blickfeld von GRACE sind dabei nicht nur oberflächliche Flüsse oder Seen, sondern auch unterirdische Wasserspeicher. Für Indien konnten Wissenschaftler mit Hilfe der Satelliten zum Beispiel zeigen, dass sich der Grundwasserspiegel zwischen 2002 und 2008 deutlich veränderte: Während er im Nordwesten um 33 Zentimeter pro Jahr sank, nahm er im Süden des Landes wegen überdurchschnittlicher Niederschläge zu. Auch in Kalifornien ging das Grundwasser im sogenannten Kalifornische Längstal (California Central Valley), einem über 600 Kilometer langen und bis zu 80 Kilometer breiten Tal, zwischen Oktober 2003 und März 2010 um rund 20 Kubikkilometer zurück, berechneten Forscher.

Verformt sich die Erdkruste aufgrund von starken Erdbeben lässt sich das mit GRACE ebenfalls beobachten. So wiesen Forscher nach dem schweren Beben im Indischen Ozean 2004 nach, dass sich die Anziehungskraft östlich der Sumatra-Verwerfung geringfügig verringert hatte, westlich davon legte sie um denselben Betrag zu. Damals hatte sich nicht nur der Meeresboden erheblich verschoben, auch die Dichte des Gesteins darunter hatte ab- beziehungsweise zugenommen.

Karte Südostasiens, überlagert von farbkodierter Darstellung der Stärke des Schwerefelds. Ein Pfeil weist auf eine violett markierte Stelle an der Südwestküste von Singapur im Golf von Bengalen. Dort war zeitweise eine besonders geringe Schwerebeschleunigung messbar.
Nach dem Erdbeben im Indischen Ozean 2004

Zusätzlich zum Schwerefeld liefert GRACE täglich atmosphärische Vertikalprofile von Temperatur und Wasserdampf für etwa 150 Orte weltweit. Möglich machen das spezielle GPS-Messungen, sogenannte Radiookkultationen, die an Bord des Satelliten durchgeführt werden: Zunächst wird dabei die Krümmung der GPS-Signalwege beim Durchgang durch die Atmosphäre bestimmt. Die Brechung des GPS-Signals hängt direkt von Temperatur und Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre ab, so dass sich die beiden Größen daraus ableiten lassen. Alle 90 Minuten empfangen die Forscher die Daten vom Satelliten, die dann automatisch ausgewertet und den weltweit führenden Wetterzentren zur Verfügung gestellt werden. Seit September 2006 leistet GRACE damit auch kontinuierlich einen wichtigen Beitrag zu Wettervorhersagen.

Im Juni 2010 verlängerten NASA und DLR die Mission GRACE, die zu Beginn nur auf fünf Jahre ausgelegt war, bis zum Jahr 2015. Spätestens dann sollte den beiden Satelliten auch der Treibstoff ausgehen – ihre Umlaufbahn um die Erde lässt sich in diesem Fall nicht mehr korrigieren, was der sehr erfolgreichen Mission ohnehin ein Ende setzen wird. Momentan arbeitet daher das Deutsche GeoForschungsZentrum mit amerikanischen Kollegen an der Realisierung einer Nachfolgemission mit Start in 2016. Bis es so weit ist, ergänzen die GRACE-Satelliten die 2009 gestartete Mission GOCE, die zwar das statische Schwerfeld der Erde wesentlich genauer misst, jedoch keinerlei Informationen über dessen zeitlichen Variationen liefert.

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.