„Fast alle Kontinente verlieren Wasser“

Welt der Physik: In Ihrem Projekt untersuchen Forschende seit mittlerweile 24 Jahren die globale Wasserspeicherung. Was waren die bisher wichtigsten Erkenntnisse?

Eva Börgens

Eva Börgens: In Grönland und der Antarktis stürzen zunehmend Eisberge ins Meer und schmelzen dort. Über 350 Milliarden Tonnen an Eismasse verlieren die beiden Regionen jährlich – und das bereits seit Anfang des Jahrhunderts. Damit trägt allein der Eismassenverlust in Grönland und der Antarktis zu circa einem Drittel des Meeresspiegelanstiegs bei.

Eine so konkrete Bezifferung der verlorenen Eismasse beziehungsweise des verlorenen Wasserspeichers, wie unser Projekt sie ermöglicht, ist relativ neu. Bisher ließ sich der Eisverlust in Grönland und der Antarktis lediglich schätzen – etwa anhand der Geometrie der Gletscherzungen und Eisberge.

Wie haben sich die Wasserspeicher in anderen Regionen der Welt verändert?

Fast alle anderen Kontinente verlieren Wasser: In Europa wird es etwa seit 2015 zunehmend trockener. Seither bildet sich immer weniger Grundwasser neu. Da dieser Prozess unter der Oberfläche stattfindet, blieb er jedoch einige Jahre unsichtbar. Erst während der Sommerdürren von 2018 und 2019 wurde der Wasserverlust durch die sinkenden Flusspegel und ausgetrockneten Böden sichtbar und spürbar.

Auch große Teile Amerikas trocknen aus: In Südamerika, im Gebiet des Rio Paraná, gab es seit 2019 eine anhaltende Dürre. Zudem war das Central Valley in Kalifornien über lange Zeit betroffen. Und da die Landwirtschaft im Central Valley stark vom Grundwasser für die Bewässerung abhängig ist – stärker als beispielsweise in Europa – konnten einige Landflächen nicht mehr bewirtschaftet werden. Seit 2025 ist die Dürre dank einiger niederschlagsreicher Jahre jedoch vorbei.

Gibt es dann überhaupt Regionen, in denen es feuchter wird?

Ja, auf dem afrikanischen Kontinent ist es in den letzten Jahren tatsächlich feuchter geworden, insbesondere die Sahelzone und das Gebiet rund um den Viktoriasee in Ostafrika. Und während in der Sahelzone vor allem das Tiefengrundwasser zunimmt, steigen im ostafrikanischen Grabenbruch rund um den Viktoriasee zusätzlich auch die Pegelstände der Seen. Es gibt aber auch Regionen in Afrika, die eher austrocknen – etwa im Südosten des Kontinents oder am Horn von Afrika.

Änderung der globalen Wasserspeicher

Wieso nehmen ausgerechnet die Wasserspeicher in warmen Regionen zu, während sie in kälteren Regionen austrocknen – müsste es nicht umgekehrt sein?

Warme Regionen werden bei steigenden Temperaturen nicht unbedingt trockener. Durch den Klimawandel verstärken sich eher die globalen Niederschlagsmuster: In warmen und feuchten Regionen verdunstet wegen der höheren Temperaturen mehr Wasser, weshalb es dort wiederum mehr regnet. Feuchte Gebiete werden im Zuge des Klimawandels also tendenziell feuchter, während trockene Gebiete weiter austrocknen. Und in diesem Zusammenhang steht auch der Viktoriasee, denn die Region ist sehr feucht und warm.

Sie nutzen Daten der Satelliten GRACE und GRACE-FO, um solche Veränderungen der Wasserspeicherung zu ermitteln. Was wird mit diesen Satelliten gemessen?

An jedem Punkt der Erdoberfläche ermitteln die beiden Satelliten mit einer räumlichen Auflösung von circa 300 Kilometern zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Gravitation, also die Erdanziehungskraft. Denn die Gravitation ist nicht überall gleich und variiert regional. Einerseits ist die Erde keine perfekte Kugel, andererseits ist die Masse an der Erdoberfläche ungleich verteilt, beispielsweise durch Gebirge. Insgesamt lässt sich aus den regionalen Werten der Gravitation das sogenannte Schwerefeld der Erde bestimmen.

Die GRACE-Satelliten

Und wie hängt das Schwerefeld der Erde mit der globalen Wasserspeicherung zusammen?

Neben diesem „festen“ Schwerefeld ändern auch bewegliche Massen an der Erdoberfläche das Schwerefeld. Und da sich fast ausschließlich Wasser schnell genug in ausreichend großen Mengen von einem Ort zum anderen bewegt, verursacht es folglich auch alle relevanten Gravitationsänderungen, die unsere Satelliten registrieren. Aus diesen Daten lässt sich entsprechend ableiten, wo Wasserspeicher zugenommen haben und wo sie geschrumpft sind.

Wie messen die Satelliten diese Änderungen im Gravitationsfeld?

Die beiden Satelliten fliegen in einem Abstand von circa 220 Kilometern hintereinander her und messen kontinuierlich ihre Distanz zueinander. Da regionale Unterschiede der Gravitation den Abstand beeinflussen, lassen sich Rückschlüsse auf das Schwerefeld ziehen. Das nennt sich Satellite-to-Satellite-Distanzmessung. Am Beispiel des Himalayas wird das deutlich, den man sich als besonders große Masse vorstellen kann. Beim Überfliegen würde der vorausfliegende Satellit zuerst stärker angezogen und dadurch leicht beschleunigt – er entfernt sich vom zweiten Satelliten. Sobald der erste Satellit den Himalaya überflogen hat, zieht ihn die Gravitation wieder leicht zurück, während der zweite Satellit nun durch die Gravitation beschleunigt wird. Dadurch nähern sich die Satelliten wieder an.

Und wie ermitteln die Satelliten die gegenseitige Distanz zueinander?

Das funktioniert im Prinzip ähnlich wie ein Laser-Entfernungsmesser aus dem Baumarkt, allerdings wird Radar anstatt Laserlicht verwendet: Ein Satellit sendet ein Radarsignal zum anderen Satelliten. Die zurückkehrende Welle wird mit einer Referenzwelle verglichen. Ändert sich der Abstand zwischen den Satelliten, verändert sich auch die Überlagerung von ausgesendeter und reflektierter Welle. Also lässt sich aus der Überlagerung der beiden Wellen die Abstandsänderung ermitteln, das nennt sich Interferometrie. So können wir erkennen, an welchen Orten GRACE und GRACE-FO näher beieinander oder weiter voneinander entfernt waren.

Satellite-to-Satellite-Tracking

Wie genau lassen sich Wasserspeicher mit dieser Methode untersuchen und wo liegen die Grenzen?

Zum einen nimmt das Gravitationssignal ab, je weiter weg der Satellit von der Erdoberfläche fliegt. Gleichzeitig müssen die Satelliten aber einen Mindestabstand zur Erdoberfläche halten, weil die Atmosphäre sie ansonsten abbremst. Das wiederum begrenzt die räumliche Auflösung der Messungen auf etwa 300 Kilometer. Entsprechend können wir keine kleinteiligen Ereignisse erkennen – also etwa, ob eine Industrieanlage besonders viel Grundwasser abpumpt. Zum anderen können wir mit der Satellite-to-Satellite-Distanzmessung keine kurzfristigen Änderungen der Wassermassen beobachten.

Was könnte solche kurzfristigen Änderungen denn überhaupt auslösen?

Ein Beispiel wäre hier eine Flutwelle. Denn diese zieht innerhalb kurzer Zeit durch ein Gebiet und klingt dann auch rasch wieder ab. Da die Satelliten immer nur entlang einer festen Spur fliegen, benötigen sie hingegen circa einen Monat, um ein vollständiges Bild der Wasserspeicher an jedem Ort der Erde zu erfassen.

Was bedeutet das längerfristig für uns und die Natur?

Besonders betroffen sind Bäume und Wälder. Denn wenn es zu lange trocken ist, können Bäume schlechter Wasser aus dem Boden aufnehmen. Im schlimmsten Fall verdorren sie. Wenn zusätzlich der Grundwasserspiegel absinkt, müssen Brunnen immer tiefer gebohrt werden, damit Menschen das Grundwasser weiterhin erreichen können. Und dann reichen auch die Wurzeln der Bäume nicht mehr tief genug, um an das Wasser zu gelangen. Neben dem Central Valley in Kalifornien wird davon unter anderem Nordindien betroffen sein.