Kartoffel, Eis und Klima

Am 17. März 2002 sind die beiden Zwillingssatelliten Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment) vom russischen Weltraumbahnhof Plesetsk gestartet. Seitdem haben sie mehr als 55000-mal auf einer polnahen Bahn die Erde umrundet und kontinuierlich Messdaten aufgezeichnet. Das primäre wissenschaftliche Ziel der Mission ist es, das Schwerefeld der Erde und seine zeitlichen Veränderungen im globalen Maßstab mit nie da gewesener Genauigkeit zu vermessen. Wäre die Erde eine homogen aufgebaute Kugel, würden die beiden Satelliten auf exakten Ellipsenbahnen um die Erde kreisen. Doch die ungleiche Massenverteilung stört die Bahn der Satelliten. Über die hochpräzise Messung der Satellitenbahn lässt sich daher auf die Struktur des sog. Geoids schließen – und der gleicht eher einer Kartoffel. Beide Satelliten sind mit einem GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung, einem Beschleunigungsmesser zur Korrektur von Störkräften durch die Restatmosphäre und die Sonneneinstrahlung sowie zwei Sternsensoren zur Bestimmung der Satellitenlage im Raum ausgerüstet. Herzstück ist ein ultrapräzises Messsystem, mit dem sich der Abstand zwischen den Satelliten kontinuierlich mit einer Präzision von einer Zehntel-Haaresbreite bestimmen lässt.

Grace ist ein gemeinsames Projekt der US-Raumfahrtbehörde NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Mission wurde 1996 vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, von der Universität von Texas in Austin, Zentrum für Weltraumforschung (UTCSR) und dem Jet Propulsion Laboratory in Pasadena geplant.

Etwa alle 30 Tage liefert das Satellitenpaar eine vollständige globale Karte des Schwerefeldes. Darüber hinaus haben die Satelliten den Gletscherschwund auf Grönland vermessen. Zugrunde liegt das Newtonsche Gesetz, nach dem die Anziehungskraft eines Körpers direkt von seiner Masse abhängt. Ändert sich also die Eismasse Grönlands, so ändert sich auch die Anziehungskraft. Auf diese Weise konnten die Satelliten die zeitlichen Wandlungen der „Erd-Kartoffel“ aufzeichnen. Während der letzten Eiszeit lag ein kilometerdicker Eispanzer über Nordamerika und Skandinavien. Seit dem Wegschmelzen dieser Eismassen hebt sich die von der Eislast befreite Erdkruste bis heute in die Höhe, was dazu führt, dass im Erdinnern Masse nachfließt. Mit Grace lässt sich diese Anpassung erstmals als Änderung der Geoidhöhe global präzise erfassen.

Das Schwerefeld erlaubt es, zahlreiche klimarelevante Prozesse zu analysieren. So gelang es den Grace-Wissenschaftlern z. B., den kontinentalen Wassergehalt zu bilanzieren, die Ab- und Zunahme von Eis- und Schneemassen zu quantifizieren, Oberflächen- und Tiefenströmungen zu beobachten sowie erstmalig massen- oder temperaturinduzierte Meeresspiegeländerungen voneinander zu trennen. Ein weiteres wissenschaftliches Ziel der Grace-Mission ist es, täglich etwa 150 global verteilte vertikale Temperatur- und Wasserdampfprofile aus GPS-Daten abzuleiten. Diese Daten empfängt das GFZ mit einer eigenen Empfangsstation in Spitzbergen und stellt sie innerhalb von zwei Stunden den weltweiten Wetterzentren bereit, um globale Vorhersagen zu verbessern. Zusätzlich dienen die Daten dazu, klimabedingte Veränderungen der Erdatmosphäre zu untersuchen.

Grace arbeitet inzwischen doppelt so lang wie ursprünglich geplant, doch ein Ende ist absehbar. Daher hat das GFZ gemeinsam mit den US-Kollegen eine Nachfolgemission auf den Weg gebracht. So sollen Ende 2016 zwei Grace-Follow-on-Satelliten um die Erde kreisen, um lange Zeitreihen und damit zuverlässige Aussagen über globale Trends im Klimageschehen zu ermöglichen.

GFZ / Maike Pfalz