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Fortsetzung „Grace“-Mission : Die Schwerkraft als Fenster ins Erdsystem

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Daten der Grace- und Champ-Mission offenbaren die Unförmigkeit des irdischen Schwerefelds (hier überhöht dargestellt). Bild: GFZ Airbus Defence and Space

Bis vor kurzem hat die Grace-Mission das Schwerefeld der Erde mit höchster Präzision vermessen. In Kürze startet nun die Nachfolgemission „Grace Follow-on“ – und dürfte neue Rekorde brechen.

          Mehr als fünfzehn Jahre haben sie im All Katz und Maus gespielt und dabei das Schwerefeld der Erde so genau vermessen wie nie zuvor. Ende 2017 hatte das amerikanisch-deutsche Satelliten-Duo mit Spitznamen Tom und Jerry schließlich ausgedient. „Ziel der Grace-Mission war es, Schwerefeldvariationen auf monatlicher Basis zu messen, um daraus Rückschlüsse auf klimarelevante Fragestellungen zu ziehen, beispielsweise wie sich der globale Wasserkreislauf verändert oder wie Gletscher schmelzen“, erläutert Frank Flechtner vom deutschen Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) und wissenschaftlicher Leiter der Mission auf deutscher Seite. Zunächst auf fünf Jahre ausgelegt, haben die Satelliten von März 2002 bis Ende 2017 wesentlich länger durchgehalten als ursprünglich geplant. In dieser Zeit hat die Grace-Mission den Wissenschaftlern eine Fülle an Daten beschert. Mehr als 1700 Publikationen sind bisher daraus hervorgegangen.

          Für ihre Beobachtungen mit den Grace-Satelliten (Gravity Recovery And Climate Experiment) haben sich die Forscher zunutze gemacht, dass Landmassen unterschiedlicher Dichte lokale Massenunterschiede im Untergrund und damit minimale Schwankungen im Schwerefeld des Planeten verursachen. Schon allein wegen der Erdrotation und der resultierenden Erdabplattung ist die Schwerebeschleunigung nicht überall auf dem Globus gleich. Zwischen den Polen und der Äquatorregion variiert sie um etwa ein halbes Prozent. Unterschiede im Erdinneren und in der Topologie etwa zwischen einer Tiefebene, Meeresgebieten und dem Himalaja schlagen mit einigen Zehnmillionsteln davon deutlich weniger zu Buche.

          Noch einmal tausendmal winziger sind jene Schwankungen, die durch eine unterschiedliche Zusammensetzung der Landmassen einschließlich des Wassergehalts zustande kommen und auf regionaler Skala und kurzfristig variieren. Dabei fällt beispielsweise ins Gewicht, ob in einer Gegend die Grundwasserspeicher gut aufgefüllt sind oder eine Dürrephase herrscht.

          Die Zwillingssatelliten GRACE-1 (genannt „Tom“) und GRACE-2 (genannt „Jerry“) auf ihrer Verfolgungs-Jagd im All.

          In einer Höhe von anfänglich 500 Kilometern jagten die beiden Grace-Satelliten auf ihrer Umlaufbahn um die Erde praktisch im freien Fall hintereinander her. Während unter ihnen Ozeane, Eisschilde, flache Landmassen und Gebirge vorüberzogen, entfernte sich der eine Satellit ein wenig vom anderen, wenn dieser über eine Region mit etwas erhöhtem Schwerefeld geriet und dadurch beschleunigt wurde; wenig später holte der andere wieder auf. Eine Art Mikrowellenradar vermaß dabei den Abstand von rund 220 Kilometern zwischen den beiden Satelliten mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern. Das entspricht etwa dem Zehntel der Dicke eines Haares.

          Mit dieser Methode lassen sich auf der Erde regionale Unterschiede im Schwerefeld über wenige 100 Kilometer ertasten, die zudem auf einer monatlichen Zeitskala variieren. Für diese zeitlichen Veränderungen interessieren sich die Forscher ganz besonders, denn sie spiegeln die Verlagerung von Wassermassen wider, die eine wesentliche Rolle im Erdklimasystem übernehmen. Die Verteilung von gesteinsartiger Materie bleibt hingegen über menschliche Zeiträume weitgehend konstant, sofern sie sich nicht durch starke Erdbeben verändert.

          Dass der Meeresspiegel aufgrund der Erderwärmung und des Abschmelzens der Polkappen ansteigt, war bereits bekannt. Aus den Grace-Messungen in Kombination mit anderen Altimetriemessungen ergab sich aber ein stärkerer Meeresspiegelanstieg als zuvor angenommen, und es zeigte sich zudem, dass dieser vor allem regional deutlich variieren kann (doi: 10.1073/pnas.1519132113). Auch die Eisschilde schmelzen schneller als gedacht. Im Verlauf der Grace-Messungen verschwanden in Grönland rund 230 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr, in der Antarktis waren es 120 Milliarden Tonnen pro Jahr (doi: 10.2312/GFZ.syserde.07.02.2).

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