Geoid

Satelliten zur Vermessung der Erde

Die Beobachtung und die Vermessung der Erde aus dem Weltraum spielen eine immer wichtigere Rolle in den Geowissenschaften. Mit Hilfe hochgenauer Sensoren, superschneller Rechner und effektiver numerischer Mathematik kann man heute die Prozesse im Erdinneren selbst in feinen Details studieren.

Foto. Im Weltall schwebender Satellit. Darunter Erdoberfläche mit Wolken und Gebirgen. Satellit mit langem Stiel, der ein Drittel der Gesamtlänge ausmacht.
Der Forschungssatellit CHAMP

Mit speziellen Satelliten, wie dem hier abgebildeten CHAMP, lässt sich die räumliche und zeitliche Feinstruktur des Erdschwerefeldes verfolgen. Das physikalische Grundprinzip dahinter ist einfach: Kleinste örtliche Unterschiede in der Erdanziehungskraft, verursacht durch Dichteunterschiede in der Erde aufgrund von lokal verschiedenen Temperaturen oder Materialzusammensetzungen, beeinflussen die Umlaufbahnen niedrig fliegender Satelliten. Von global verteilten Messstationen aus werden dann die Satellitenbahnen mit Hilfe von Laser-Abstandsmessungen äußerst genau bestimmt. Aus dem Verlauf der Bahnen können dann die Details des Schwerefeldes abgeleitet werden. Auf diese Weise lässt sich die Detailform der Erde, das Geoid, mit großer Genauigkeit bestimmen.

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

Das Geoid wiederum bildet, als sogenannte Äquipotentialfläche, die Bezugsbasis für andere Messmethoden wie zum Beispiel die Satellitenaltimetrie, also die Höhenmessung mit Hilfe von Satelliten. Das wohl wichtigste Instrument der Orts- und Bewegungsbestimmung mit Satelliten ist das Global Positioning System (GPS), das ursprünglich für Navigationszwecke und sehr genaue Positionsbestimmungen vom amerikanischen Militär installiert wurde. Benutzt man statt eines GPS-Empfängers ein ganzes Netz von Empfängern, so erreicht man eine Ortsauflösung von einigen Millimetern. Auf diese Weise kann man die Verschiebungen, die bei den tektonischen Plattenbewegungen auftreten, gut auflösen, da sie bei einigen Zentimetern pro Jahr liegen. Besonders interessant ist die detaillierte Auflösung von regionalen Bewegungsmustern, wie das Beispiel Indonesien zeigt (Bild 3).

Drei Fotos. Links Küstenlandschaft. Mitte und rechts gleiche Küstenform, aber Muster an Land. In der Mitte leicht gebogene, gleichmäßige Streifen, rechts grobe Streifenstrukturen.
Satellitenaufnahmen des Gebiets um Antofagasta in Chile nach einem Erdbeben

Ein anderes Messverfahren der Satellitentechnologie, das zukünftig grundlegende Erkenntnisse erwarten lässt, ist die SAR-Interferometrie (Synthetic Aperture Radar). Hierbei tastet der Satellit mit Radar einen Streifen der Erdoberfläche kontinuierlich ab und registriert das Höhenrelief zentimetergenau. Überlagert man Radarbilder zweier aufeinanderfolgender Überflüge des Satelliten, so erhält man ein Interferogramm, das die Abweichungen der beiden Bilder voneinander messbar werden lässt und somit sichtbar macht. Zum Nutzen der Erdbebenforschung kann man mit dieser Methode die Deformationen der Erdkruste und die Zunahme mechanischer Spannungen messen, zu sehen im Bild 4.