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Neues Satelliten-Tandem vermisst die Erde

GRACE-FO
Künstlerische Darstellung des Satellitentandems GRACE-FO (Grafik: AIRBUS).

Seit gestern Abend kreisen zwei neue Erdbeobachtungs-Satelliten im Orbit. Die Mission GRACE Follow-On ist gegen 21:47 Uhr unserer Zeit erfolgreich in Kalifornien gestartet. Die Zwillingssatelliten der Mission werden das Schwerefeld der Erde und dessen räumliche und zeitliche Variationen genauer als bisher vermessen. Dies ermöglicht präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt wie Verlust von Eismassen, Meeresströmungen und Veränderungen des Grundwassers. Aber auch für die Vermessung der Erdoberfläche sind die Daten dieser Satelliten wichtig.

Obwohl unsere Erde aus dem All gesehen einer relativ glatten Kugel gleicht, sind die Massen auf ihr nicht gleichmäßig verteilt. Im Erdinneren bewegen sich glutflüssige Gesteinsmassen, Wassermassen fließen in den Ozeanen und auf den Kontinenten und auch die Luftmassen sind in stetiger Bewegung. Als Folge dieser Prozesse ist auch das Schwerefeld der Erde nicht überall gleich stark ausgeprägt. So üben die Alpen beispielsweise eine höhere Anziehungskraft aus als die norddeutsche Tiefebene. Genau dies nutzen – wie schon ihre beiden Vorgänger der GRACE-Mission – nun die beiden Satelliten der Mission Grace-FO. Diese von der US-Raumfahrtagentur NASA und dem Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam koordinierte Mission soll das irdische Schwerefeld zukünftig noch genauer vermessen und seine Veränderungen im Zeitverlauf verfolgen.

Subtile Abstandsveränderungen

Das Prinzip dahinter: Die in enger Formation fliegenden Zwillingssatelliten überwachen ihren relativen Abstand und ihre Geschwindigkeit ständig sehr genau. Bei ihrer Umkreisung der Erde werden sie nun zeitlich versetzt mal stärker und mal schwächer angezogen – je nachdem, wie viel Masse sich unter ihnen befindet. Dies führt zu einer kleinen Änderung des Satellitenabstandes, der dank eines präzisen Mikrowellenverfahrens bis auf einige Tausendstel Millimeter genau bestimmt wird. Zum Vergleich: Bezogen auf die Strecke Potsdam – Hannover können die GRACE-FO-Satelliten noch Veränderungen vom Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares erfassen. Da die beiden Satelliten kontinuierlich die Erde umkreisen, können sie sowohl örtliche als auch zeitliche Änderungen des Schwerefeldes dokumentieren.

„Primäres Missionsziel ist die Erstellung globaler monatlicher Schwerefeldkarten. Mit Hilfe dieser Daten können verschiedene Veränderungen im System Erde rekonstruiert werden“, erläutert der leitende Wissenschaftler der Mission, Frank Flechtner vom GFZ. So habe die Vorgängermission GRACE gezeigt, dass der Eismassenverlust in Grönland zwischen 2002 und 2016 rund 270 Milliarden Tonnen pro Jahr betrug. „GRACE-FO wird die Entwicklung in Grönland, aber auch in der Antarktis und anderen Eisregionen, weiterhin verfolgen und aktuelle Daten liefern“, so Flechtner. Anhand von Schwerefelddaten lässt sich unter anderem ermitteln, wie groß der Anteil der schmelzenden Gletscher an den steigenden Pegeln ist. Aber auch den Füllstand der großen Grundwasserreservoire der Erde können die Satelliten aus dem All ermitteln und auch die Meeresströmungen verfolgen.

Erste Daten in wenigen Wochen

Ein weiteres Ziel der Mission ist die Analyse der Atmosphäre mit Hilfe der sogenannten GPS-Radiookkultation. Die Methode basiert darauf, dass Funksignale von GPS-Satelliten auf ihrem Weg zu den GRACE-FO-Satelliten je nach Atmosphärenzustand verschieden stark gebrochen werden. Den Meteorologen erlauben diese Daten Rückschlüsse beispielweise auf die Dichte und Feuchtigkeit der Luft. Diese Informationen werden an verschiedene internationale Wetterzentren geliefert, um deren tägliche Vorhersagen zu verbessern.

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Nach dem erfolgreichen Start werden die beiden Satelliten nun zunächst im Orbit schrittweise in Betrieb genommen und für den dauerhaften Einsatz vorbereitet. Die Trägerrakete hat die beiden Satelliten in einer Erdumlaufbahn in einer Höhe von 450 Kilometer ausgesetzt. In dieser fliegen die beiden GRACE-Follow-On-Satelliten nun in 220 Kilometer Entfernung hintereinander her. Ein von deutschen Forschern entwickeltes Laserinterferometer misst den Abstand dabei besonders präzise – es ist das erste seiner Art zwischen Satelliten im All. Für den Sommer rechnen die beteiligten Forscherinnen und Forscher mit die ersten wissenschaftlichen Daten. „Die geplante Missionsdauer von GRACE Follow-On beträgt fünf Jahre. Wir hoffen aber, dass GRACE Follow-On wie der auf fünf Jahre ausgelegte Vorgänger GRACE deutlich länger – nämlich 15 Jahre – funktioniert“, sagt Gerhard Heinzel vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

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