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  • 09.05.2018
  • von Jan Kixmüller

„Grace“-Satellitenmission: Potsdamer Forscher vermessen die Erde

von Jan Kixmüller

Doppelpack. Das Grace-Satellitentandem kreiste seit 2002 um die Erde. Grafik: GFZ

Die zweite „Grace“-Satellitenmission steht kurz vor dem Start. Unter Federführung des Deutschen Geoforschungszentrums Potsdam soll das deutsch-amerikanische Projekt die Erde neu vermessen.

Potsdam - Die Daten waren recht ungewöhnlich. 2011 zeigten Messdaten zum Anstieg des Meeresspiegels – aktuell rund drei Millimeter pro Jahr – bei Australien plötzlich eine Delle. War der Anstieg der Meeresoberfläche, der auch auf die Erderwärmung zurückgeht, ins Stocken geraten? Einige Zeit später war klar, dass dem nicht so ist, vielmehr hatten flutartige Regenfälle in Australien das verdunstete Ozeanwasser über den Kontinent gebracht, was dort zu katastrophalen Überschwemmungen führte. Eine kurzfristige Änderung nur – zwei Jahre spätere stieg der Meeresspiegel wie gehabt weiter.

Solche Messungen hat das Satellitenduo „Grace“ zur Erdsystembeobachtung unter Federführung des Deutsches Geoforschungszentrums (GFZ) Potsdam ermöglicht. Mit dem Verglühen der Satelliten zur Erkundung des Erdschwerefeldes Ende 2017 war die Mission nach 15 Jahren beendet. Nun steht die Folgemission „Grace-Fo“ (Follow on) in den Startlöchern. Am 19. Mai soll es von der US-Raketenbasis Vandenberg ins All gehen – möglichst für weitere 15 Jahre.

„Grace“ macht Meeresspiegeländerungen, Dürren, Erdbeben und das Abschmelzen von Polareis sichtbar

„Grace“ (Gravity Recovery And Climate Experiment) hatte von 2002 bis 2017 das Erdschwerefeld und dessen Änderungen extrem präzise vermessen. Dadurch wurden neben Meeresspiegeländerungen auch die Entnahme von großen Grundwassermengen, Dürren, Erdbeben und das Abschmelzen von Polareis sichtbar. Mit dem zweiten Satellitenpaar sollen durch ein neuartiges Laserinterferometer noch genauere Messungen möglich sein. Und zwar über eine Zeitreihe von insgesamt 30 Jahren. „Erst daraus lassen sich dann belastbare Rückschlüsse beispielsweise auf Änderungen des Klimas ziehen“, erklärte GFZ-Vorstand Reinhard Hüttl am Dienstag vor der Presse. Um langfristige Entwicklungen und Trends auf der Erde besser abschätzen zu können, werden Daten aus längeren Zeitreihen benötigt, so Hüttl. Die Daten fließen unter anderem in den Weltklimabericht IPCC ein. Über 5000 Forscher weltweit warten nun auf die neuen Daten von „Grace-Fo“. Mit ihnen soll sich dann beispielsweise exakt sagen lassen, ob der Anstieg des Meeresspiegels auf das Einfließen von Schmelzwasser oder auf die Ausdehnung des Wasservolumens durch die Erderwärmung zurückgeht.

Der Globus ist kein glatter Ball, sondern hat durch die Unterschiedlichkeit des Erdschwerefeldes Aus- und Einbuchtungen. So hatten die Forscher aus den „Grace“-Daten das bekannte Modell der „Potsdamer Kartoffel“ berechnet – ein Globus mit vielen Hügeln und Dellen. Unterschiedlich auch, weil sich beispielsweise der Boden an manchen Stellen nach dem Ende der Eiszeit zu heben begonnen hat, da die Eislast darüber verschwunden ist. Letztlich sind solche Daten beispielsweise wichtig dafür, wie man Häfen in Zukunft – auch vor dem Hintergrund des steigenden Meeresspiegels – um- und ausbauen muss.

Sattellit rast 16 Mal pro Tag um die Erde 

Das Potsdamer GFZ war der wichtigste Ideengeber der neuen Mission zusammen mit der US-Raumfahrtbehörde Nasa, die insgesamt 200 bis 300 Millionen Euro kosten soll. Allein 77,7 Millionen Euro davon kommen vom GFZ und aus Bundesförderungen. Über 70 Wissenschaftler und Techniker werden in Deutschland an der Mission beteiligt sein, neben den Forschern auch Mitarbeiter der DLR und von Airbus, hinzu kommt weiteres Bodenpersonal bei der Nasa. Auch Gravitationswellenforscher des Potsdamer Albert-Einstein-Instituts sind beteiligt, da die Lasertechnik die gleiche ist, die beim satellitengestützten Gravitationswellen-Detektor „Lisa“ zum Einsatz kommen soll.

Während man mit der ersten Grace-Mission bereits auf einen Mikrometer genau messen konnte, erwarten die Forscher nun, dass die neue Technik bis zu 30-mal besser messen wird. 600 Kilogramm wiegt jeder der beiden rund sechs Quadratmeter großen und knapp einen Meter mächtigen Flugkörper, die in einem Abstand von rund 220 Kilometern 16 Mal pro Tag um die Erde sausen. Zwei Satelliten kommen zum Einsatz, da sich aus ihren unterschiedlichen Positionen und Messwerten die Beschaffenheit der Erdoberfläche äußerst präzise erfassen lässt. Da sie permanent einander hinterherjagen, haben die Forscher die beiden Satelliten liebevoll nach den beiden Comicfiguren Tom und Jerry benannt.

Erst sollte eine russische Rakete für die neue „Grace“-Mission ins All - dann kam die Krim-Krise

Die ersten Daten der von Airbus in Deutschland gebauten Satelliten sollen nach rund sieben Monaten der Forschung weltweit zur Verfügung stehen, nach etwa neun Monaten im All wird mit der ersten kompletten Schwerefeldkarte gerechnet. Die Forscher müssen eine extreme Datenflut bewältigen. Die beiden Himmelsflitzer liefern rund 3,5 Millionen Beobachtungsdaten pro Monat, die dann unter anderem von den Potsdamer Geoforschern in der Satelliten-Laserstation des GFZ auf dem Telegrafenberg verarbeitet werden.

Ziel der Mission ist es, die bisherigen Ergebnisse von „Grace“ kontinuierlich und mit verbesserter Technologie zu nutzen: „Um das System Erde als unseren Lebens- und Gestaltungsraum besser zu verstehen“, erklärte GFZ-Vorstand Hüttl. Es gehe darum, das Erdsystem vom Kern bis zum Weltall bestmöglich zu begreifen. Die Ergebnisse sollen für die Gesellschaft nutzbar gemacht werden. Erstmalig werde nun „ziemlich genau und hoch aufgelöst“ eine Referenz für Veränderungen auf der Erdoberfläche erstellt. Bestes Beispiel: Aus den Daten der ersten „Grace“-Mission ging hervor, dass in den 15 Jahren in der Antarktis rund 125 Gigatonnen Eis geschmolzen sind.

Eigentlich wollte man die neue Mission mit einer russischen Rakete ins All schießen, doch nach der Krim-Krise war das wegen der politischen Lage nicht mehr möglich. Die Folgemission von „Grace“ verzögerte sich, weitere Finanzmittel mussten aufgestockt werden. Ob nun der Start am 19. oder am 20. Mai stattfindet, hängt allerdings noch vom Wetter ab. „Das wissen nur die Götter“, sagte Albert Zaglauer. Wer weiß, schließlich kann „Grace“ zu Deutsch neben Gnade und Anmut auch Aufschub bedeuten.

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Hintergrund: Die erste Grace-Mission

Am 17. März 2002 war das Satellitenduo „Grace“ (Gravity Recovery And Climate Experiment) gestartet. Die Mission wurde zum bislang längsten Satellitenprojekt des GFZ, dem nun „Grace-Fo“ (s.Text) folgt. Ursprünglich auf fünf Jahre angelegt, verdreifachten die beiden ersten „Grace“- Satelliten ihre Flugzeit um den Globus in knapp 500 Kilometern Höhe. Ende des Jahres 2017 wurde die Absturzphase eingeleitet. „Grace-2“ verglühte am 24. Dezember 2017 in der Erdatmosphäre, während „Grace-1“ noch bis zum März 2018 letzte Bahnen zog. In 15 Jahren Missionszeit lieferte „Grace“ genaue Daten zum Erdschwerefeld und seinen Veränderungen. Aus den monatlichen Karten des Schwerefelds ließen sich zuvor unerreichte Informationen entnehmen: Eismassenbilanzen der Pole ließen sich ebenso erfassen wie deren Beitrag zum globalen Meeresspiegelanstieg oder Schwankungen des Grundwassers.

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