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GRACE
15 Jahre das Erdschwerefeld im Blick
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam
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15. März 2017

Seit fast genau 15 Jahren senden die beiden GRACE-Sonden Daten über das Schwerefeld der Erde - und damit schon drei Mal länger, als ursprünglich geplant. Nun ist allerdings ein Ende der erfolgreichen amerikanisch-deutschen Mission abzusehen, da der Treibstoff der Sonden zur Neige geht. Nachfolger stehen aber schon bereit.

GRACE

Die beiden GRACE-Satelliten von GFZ und NASA zeichnen Veränderungen der Erdanziehungskraft auf und liefern Daten für monatliche Gravitationskarten. Bild: Astrium/GFZ [Großansicht]

Seit das deutsch-amerikanische Satelliten-Duo am 17. März 2002 angefangen hat zu senden, haben die Daten des Gravity Recovery and Climate Experiments (GRACE) den Blick der Wissenschaft auf die Bewegung des Wassers und auf Grundwasserspeicher grundlegend verändert. "GRACE hat es uns ermöglich, mittels der Beobachtung von Massenverlagerungen nachzuverfolgen, wie Wasser sich im Untergrund verhält", sagt Reinhard Hüttl, Vorstandsvorsitzender und Wissenschaftlicher Vorstand des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ in Potsdam. "Dieser Bereich war der Weltraum-gestützten Fernerkundung davor nicht zugänglich und das hat uns neue Möglichkeiten eröffnet, Klimaveränderungen zu beobachten und zu quantifizieren."

Das GFZ betreibt die Satellitenmission zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und auf amerikanischer Seite mit dem Jet Propulsion Laboratory der US-Raumfahrtbehörde NASA. Wie viele Revolutionen begann GRACE mit einem radikalen Gedanken: "Die völlig neue Idee bei GRACE war, dass man Messungen der Masse nutzen könnte, um Informationen über das System Erde zu gewinnen", erinnert sich der leitende Wissenschaftler Byron Tapley vom Center for Space Research der University of Texas in Austin. Massenverlagerungen zu verfolgen war der Schlüssel zu einem besseren Verständnis dafür, wie Wasser und die feste Erde sich im Untergrund verhalten, wo niemand hinsehen kann.

Je größer die Masse eines Objektes ist, desto größer ist auch dessen Anziehungskraft. So üben die Alpen beispielsweise eine höhere Anziehungskraft aus als die norddeutsche Tiefebene. Die winzigen Unterschiede merkt kein Mensch, aber Satelliten können die Veränderung messen. Wenn sie die Erde umkreisen und über eine massereiche Region fliegen, dann beschleunigen sie minimal, wenn sie darauf zufliegen, und werden langsamer beim Wegfliegen.

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Der weitaus größte Teil der Erdanziehungskraft rührt von der Masse im Erdinneren. Ein winziger Bruchteil allerdings geht auf das Wasser auf oder nahe der Oberfläche zurück. Ozeane, Flüsse, Seen, Gletscher und Grundwasser verändern sich viel rascher als das zähflüsssige Gestein im Erdinneren, denn sie reagieren auf Jahreszeiten, Stürme, Dürren oder andere Wettereffekte. GRACE entstand nun aus der Erkenntnis, dass die daraus resultierenden winzigen Schwerkraftänderungen aus dem All zu messen seien und so die Geheimnisse des Wasserkreislaufs lüften könnten.

Das Prinzip: GRACE misst die Massenveränderungen, indem es deren Effekt auf das Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand hintereinander unseren Planeten umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um den Bruchteil einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen können diese Änderungen gemessen werden: Die Satelliten senden sich wechselseitig Pulse zu und registrieren, wann die Wellen zurückgestrahlt werden. Hinzu kommen GPS-Sensoren an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um die Überflughöhe zu bestimmen und Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forscherinnen und Forscher monatliche Karten der regionalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der daraus resultierenden Veränderungen der Massen an der Oberfläche. "Als die NASA diese komplexe Hochpräzisionsmission für ihr Earth System Science Pathfinder-Programm auswählte und ich Ende der 1990-er Jahre ins GRACE-Projekt kam, hatte ich schon meine Zweifel, ob mit GRACE jemals monatliche Schwerefeldkarten produziert werden", erinnert sich Frank Flechtner vom GFZ. Er war als deutscher GRACE-Projektmanager eingestiegen und ist heute einer der beiden leitenden Wissenschaftler bei GRACE. "Schon gar nicht dachte ich, dass wir so lange Zeitreihen erhalten würden."

Mit 15 Jahren hat GRACE dreimal so lange wie ursprünglich geplant funktioniert. Die Projektmanager haben alles getan, um das Leben der Sonden zu verlängern, aber das Satelliten-Duo wird demnächst seine Treibstoffvorräte aufgebraucht haben – vermutlich in diesem Sommer. Die NASA und das GFZ haben seit 2012 an einer Nachfolge-Mission, GRACE Follow-On (GRACE-FO), gearbeitet. Die Zwillings-Satelliten sollen zwischen Dezember 2017 und Februar 2018 an den Start geht.

Die neue Mission konzentriert sich auf die Fortsetzung der erfolgreichen GRACE-Zeitreihen. Die neuen Satelliten werden eine ähnliche Hardware wie GRACE benutzen, sollen aber außerdem eine Technologie demonstrieren, die ein neuartiges Laser Ranging Interferometer (LRI) benutzt, um die Distanz zwischen beiden Satelliten zu überwachen. Das LRI ist eine deutsch-amerikanische Entwicklung, die das Potenzial hat, noch genauere Intersatelliten-Messungen und daraus resultierende Schwerkraftkarten zu produzieren.

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