Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).

Die Hülle unserer Erde ist in permanenter Bewegung: Verschiedene Erdplatten drücken und schieben gegeneinander und bilden so nach und nach Gebirge, Vulkane oder verursachen Erdbeben. Um die Vorgänge der Plattentektonik besser zu verstehen, ist die sogenannte Lithosphäre – die Erdkruste und der darunterliegende Erdmantel – von entscheidender Bedeutung. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat jetzt ein neues 3D-Modell veröffentlicht, um die Lithosphäre genauer als bisher zu beschreiben. An dem internationalen Projekt sind auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beteiligt, die dafür konventionelle geophysikalische Methoden mit satellitengestützten Daten kombinierten. Vom 29. März bis 1. April wird das gesamte Forschungsprojekt Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten der Methode bei der vom Kieler Team ausgerichteten internationalen „3D-Earth Spring School“ online vorstellen.

Erdschichten sind differenzierter als bisheriges Schalenmodell
Bei einem Erdbeben treten seismische Wellen auf, deren Geschwindigkeit gemessen wird, um mehr über die Verteilung der physikalischen Eigenschaften im Erdinneren zu erfahren. Wie schnell sich diese Wellen ausbreiten, wird hauptsächlich von der Temperatur und von der Dichte des Gesteins bestimmt. „Satellitengestützte Gravitationsdaten können hier wertvolle Ergänzungen liefern, denn die Gesteinsdichte beeinflusst die Stärke des Schwerkraftsignals. Außerdem ermitteln Satelliten sehr genaue Daten für die gesamte Erdoberfläche und decken damit auch Gebiete ab, in denen es kaum Bodenmessungen gibt“, erklärt Geophysiker Dr. Nils Holzrichter aus der Arbeitsgruppe „Satelliten- und Aerogeophysik“ an der CAU.

Das 3D-Modell der Lithosphäre, das die ESA jetzt veröffentlicht hat, kombiniert globale Gravitationsdaten des GOCE-Satelliten (Gravity field and steady-state ocean circulation explorer), seismologische Beobachtungen und Gesteinsinformationen. „Mit der Kombination von Satelliten-, Erdbeben- und Gesteinsdaten können wir gewissermaßen mit einer Lupe auf das bekannte Schalenmodell des Erdinneren schauen und die einzelnen Schichten viel genauer als bisher differenzieren“, erklärt Holzrichter, der unter anderem die Daten für das 3D-Modell aufbereitet hat. „Da es sich um ein globales Referenzmodell handelt, lassen sich damit auch Studien aus verschiedenen Regionen der Welt besser miteinander vergleichen.“

Methode wurde bereits auf Erdhebung von Nordamerika angewendet
Angewendet hat das Kieler Forschungsteam das Modell bereits auf das „Laurentidische Eisschild“: Die massive Eisschicht bedeckte während der letzten Eiszeit Teile des heutigen Kanadas und der USA und drückte die Landmassen mit ihrem Gewicht nieder. Vor 20.000 Jahren schmolzen die Gletscher ab und seitdem hebt sich der nordamerikanische Kontinent wieder an. „Mit unserer Methode lässt sich konkreter als bisher ermitteln, welche weitere Hebung noch zu erwarten ist“, erklärt Dr. Wolfgang Szwillus, der an einer Studie dazu mitgewirkt hat, die im Journal of Geophysical Research veröffentlicht wurde. Demnach ist mit einer weiteren Hebung von mindestens 200 Metern zu rechnen. Dass auch 20.000 Jahre nach Abschmelzen der Gletscher die Prozesse nicht abgeschlossen sind, zeigt, wie träge der Erdmantel reagiert hat. „Ein besseres Verständnis davon, wie schnell die Lithosphäre auf Eismassenverluste reagiert, ist mit Blick auf den Klimawandel ausgesprochen wichtig“, ergänzt Szwillus.

Das Modell und die Studie entstanden im Rahmen des ESA-Projektes „3D-Earth“, in dem ein dreidimensionales Modell der kompletten Erdkruste und des oberen Erdmantels erstellt werden soll. Die bisherigen Projektergebnisse werden Ende März bei der viertägigen Onlinekonferenz „3D-Earth Spring School: Modelling and Interpreting the Earths interior“ vorgestellt. Mit einem besonderen Fokus auf den wissenschaftlichen Nachwuchs will die Projektgruppe dort zeigen, wie ihr Modell und die Daten aus dem Projekt auf weitere wissenschaftliche Fragestellungen angewendet werden können.

Originalpublikation:
Reusen, J. M., Root, B. C., Szwillus, W., Fullea, J., & van der Wal, W. (2020). Long wavelength gravity field constraint on the lower mantle viscosity in North America. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2020JB020484.

Fullea, J., Lebedev, S., Martinec, Z., Celli, N.L. (2021) WINTERC-G: mapping the upper mantle thermochemical heterogeneity from coupled geophysical-petrological inversion of seismic waveforms, heat flow, surface elevation and gravity satellite data, Geophysical Journal International, ggab094

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Der Beitrag Die Vermessung des Erdinneren erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA, ESA-Blog Rocket Science, Twitter ESA Operations, Raumcon.

Die Erfolgsmission GOCE ist dem ersten Anschein nach undramatisch zu Ende gegangen. Der ESA-Satellit, der über vier Jahre unter anderem das Schwerefeld der Erde mit unerreichter Präzision vermessen hat, brach am frühen Morgen des 11. November 2013 nach dem Eintritt in die dichteren Schichten der Erdatmospäre auseinander und verglühte größtenteils. Letzter Funkkontakt bestand am 10. November um 23.42 Uhr. Die letzte Hochrechnung des Wiedereintrittszeitraumes lautete auf 23.50 Uhr bis 01.50 Uhr. Die ESA sprach in einer ersten Festlegung von „gegen 01.00 Uhr MEZ“. Das Eintrittsgebiet konnte zu diesem Zeitpunkt ebenfalls noch nicht genauer lokalisiert werden, der Abstiegsorbit lag laut ESA aber hauptsächlich über Sibirien, dem östlichen Indischen und westlichen Pazifischen Ozean sowie der Antarktis. Der Südatlantik wird nicht ausdrücklich erwähnt, ist aber die logische Fortsetzung der Flugbahn. Beim Eintritt hatte GOCE eine Geschwindigkeit von etwa 25.000 Stundenkilometer. Bis zu 200 Kilogramm oder 20 Prozent der Satellitenmasse, verteilt auf rund ein Dutzend Bruchstücke, könnten laut ESA die Erd- oder besser Wasseroberfläche erreicht haben.

Ein kontrollierter Wiedereintritt war bei GOCE nicht vorgesehen. Offensichtlich wurde es bei der Planung der Mission auch nicht zur Prinzipienfrage erhoben. Es war letztendlich ein Spiel mit Wahrscheinlichkeiten, die zugegebenermaßen für diese Strategie sprachen, denn der größte Teil der Erde ist extrem dünn besiedelt oder unbewohnt. In Sachen Gefährdung menschlichen Lebens ging es um Unglückswahrscheinlichkeiten im Billionstel-Bereich. Auf circa 1 zu 35 Billionen lauten die Schätzungen – oder 1/250.000 der Chance auf den Gewinn des deutschen Lotto-Jackpots (die liegt bei 1/140 Millionen, Anm. d. Red.), wie es von Prof. Heiner Klinkrad, ESOC-Chef und Leiter des ESA-Büros für Weltraumschrott, anschaulicher erklärt wurde. Ohne aktive Steuerungsmöglichkeiten waren die Prognosen des Wiedereintrittszeitpunktes und -ortes aufgrund von Zufallseinflüssen bis etwa einen halben Tag vor Schluss mit großer Unsicherheit behaftet. Eine aktive Steuerungsmöglichkeit wäre jedoch zu Lasten der wissenschaftlichen Instrumente gegangen und hätte der Mission vermutlich mehr oder weniger die Rechtfertigung genommen.

Die Wiedereintrittsprognose hängt von Zufallsfaktoren wie dem plötzlichen Verlust der optimalen Ausrichtung des Satelliten (beispielsweise durch „Aufbäumen“) in der zunehmend dichter werdenden Restatmosphäre, der Funktionsfähigkeit der Höhenkontrolle, der Sonnenaktivität und dem Verhalten des Erdmagnetfeldes ab. Laut Christoph Steiger, GOCE Spacecraft Operations Manager bei der ESOC in Darmstadt, war es das Ziel, auch in der Endphase die Funktionsfähigkeit des Satelliten so lange wie möglich aufrecht zu erhalten. In dieser Extremsituation jenseits aller konstruktiven Anforderungen liefern die Messinstrumente von GOCE seltene Erfahrungswerte. Die Missionsanalyse durch Flugdynamiker ist ein wichtiger Aufgabenbereich. Das ESOC liefert mit den gewonnenen Daten Informationen für den Bau künftiger Satelliten. Datenaustausch und Ortung werden jedoch zu einer zunehmenden Herausforderung für die Bodenstationen.

Die letzten Tage und Stunden von GOCE stellten sich wie folgt dar (die Zeiten sind zum Teil circa-Angaben in MEZ):

• 13.09.2013: Seitens der ESA wird offiziell mitgeteilt, dass die GOCE-Mission mangels Treibstoff absehbar zu Ende gehen wird. Entscheidend für das Abschalten des Ionen-Triebwerks ist der Druck im Xenon-Tank. Theoretisch wird es unter 2,5 bar kritisch.
• 14.10.2013: Druck im Xenon-Tank liegt bei 5 bar. Die Orbithöhe beträgt 224 Kilometer.
• 18.10.2013: Im Tank werden 2,5 bar gemessen. Der Rest an Xenon im Tank wird auf 350 Gramm von einst 40 Kilogramm geschätzt. Auch unterhalb des kritischen Drucks läuft das Triebwerk noch einige Tage weiter.
• 21.10.2013: Die Triebwerksabschaltung erfolgt, das Ende der Mission wird erklärt. Der Satellit bewegt sich zu diesem Zeitpunkt in rund 220 Kilometer Höhe.
• 01.11.2013: GOCE ist inzwischen auf 205 Kilometer Höhe angekommen, der Wiedereintrittstermin wird von Prof. Volker Liebig vom ESA-Erdbeobachtungszentrum in Frascati auf den 06. November plus/minus drei bis vier Tage eingegrenzt.
• 04.11.2013: Die Flughöhe beträgt 192 Kilometer. Die Abstiegsrate wird mit 4 Kilometer pro Tag angegeben.
• 08.11.2013: Die Umlaufbahn erreicht 170 Kilometer. Die Abstiegsrate hat sich auf über 8 Kilometer pro Tag mehr als verdoppelt. Der atmosphärische Widerstand beträgt 50 Millinewton. Erstmals wird der Wiedereintrittstermin auf die Nacht vom 10. auf den 11. November eingegrenzt, wenn GOCE auf rund 80 Kilometer abgesunken ist und in dieser Höhe auseinanderbrechen dürfte. Das liegt an der oberen Grenze des Prognosekorridors vom 01. November.
• 09.11.2013: Der Verlust an Höhe wird auf über 13 Kilometer pro Tag beziffert. Die Flughöhe beträgt 160 Kilometer. Der durch die Restatmosphäre verursachte Widerstand erreicht 90 Millinewton. Die Lageregelung arbeitet anstandslos, in verschiedenen Teilen des Raumfahrzeugs werden jedoch ansteigende Temperaturen gemessen, weiteres Indiz für die zunehmende Atmosphärendichte.
• 10.11.2013, 11.20 Uhr: Die Höhe beträgt grob 147 Kilometer. Der Abstieg erfolgt jetzt mit einem Kilometer pro Stunde. Der Atmosphärenwiderstand kann nicht mehr genau gemessen werden. Die Modellschätzungen gehen von 165 Millinewton aus. Der Widerstand überschreitet die in der GOCE-Konstruktion unterstellten Planwerte um das Fünfzehnfache. Die Fluglage ist stabil. An der Spitze von GOCE sind die Temperaturen in den letzten 24 Stunden um 13 Grad Celsius gestiegen. Für die Funktionsfähigkeit von GOCE ist das laut Christoph Steiger noch nicht bedrohlich.
• 10.11.2013, 13.00 Uhr: Der Wiedereintritt wird auf den Zeitraum zwischen 19.30 Uhr und 01.00 Uhr eingegrenzt.
• 10.11.2013, 16.40 Uhr: Die Höhe beträgt 133 Kilometer. Der Abstiegsrate hat sich um 50 Prozent auf 1,5 Kilometer pro Stunde beschleunigt. Der Atmosphärenwiderstand liegt bei 200 Millinewton. Die Temperatur des im vorderen Teil des Satelliten befindlichen Bordrechners beträgt 40 Grad Celsius gegenüber 25 Grad anderthalb Tage zuvor. Der Wiedereintritt kann laut Heiner Klinkrad auf plus/minus zwei Erdorbits vorausgesagt werden. Europa wird mit hoher Wahrscheinlichkeit als betroffenes Gebiet ausgeschlossen. Christoph Steiger berichtet von einem aktuellen Kontakt zwischen GOCE und der KSAT Bodenstation in Svalbard auf Spitzbergen. Es stünden nur noch wenige Kontaktmöglichkeiten bevor, von denen man so viele wie möglich herstellen möchte.
• 10.11.2013, 18:30 Uhr: Kontakt mit der ESTRACK-Station in Kiruna, GOCE bewegt sich unter 130 Kilometer. Die Temperatur von Bordrechner und Batterien beträgt 45 Grad Celsius.
• 10.11.2013, 19.56 Uhr: Ein weiterer Kontakt mit der ESTRACK-Station in Kiruna kommt zustande. GOCE ist auf unter 126 Kilometer abgesunken. Am Bordrechner werden 50 Grad Celsius gemessen.
• 10.11.2013, 20:50 Uhr: Der Kontakt mit der norwegischen Troll Satellite Station in der Antarktis gelingt. Die Temperatur des Bordrechners ist auf 54 Grad Celsius angestiegen.
• 10.11.2013, 23.42 Uhr: Erneuter Kontakt mit der Troll Satellite Station. Im Bordrechner wird eine Temperatur von 80 Grad Celsius gemessen. Auch in nunmehr rund 120 Kilometer Flughöhe funktioniert GOCE entgegen allen Erwartungen.
• 11.11.2013, 01.30 Uhr: Der Kontakt ist verloren. Es wird keine Kommunikation mehr mit GOCE erwartet. Der Satellit ist zu diesem Zeitpunkt höchst wahrscheinlich bereits verglüht, so das implizite Fazit im ESA-Blog. Teams der ESA warten jetzt auf Daten aus der Radarverfolgung, um die Endphase zu rekonstruieren.

Update 11.11.2013, 19:55 Uhr:
Im Verlauf des Vormittags teilt die ESA offiziell mit, dass GOCE um 01:16 Uhr MEZ in etwa 80 Kilometer Höhe über dem Südatlantik bei 60 Grad westlicher Länge und 56 Grad südlicher Breite, also nahe der Falklandinseln, verglühte. Die Überreste sind in den Ozean gefallen. Den Angaben liegen Schätzungen des ESA Space Debris Office und des U.S. Strategic Command zugrunde. Eine direkte Beobachtung des Wiedereintritts ist offensichtlich nicht gelungen.

Update 12.11.2013, 19:30 Uhr:
GOCE hat doch noch ein würdiges „Abschiedsbild“ bekommen (siehe hier). Bill Chater hat es zufällig am 10. November 2013 um 21.20 Uhr Ortszeit auf den Falklandinseln aufgenommen. Ausgehend von Mitteleuropäischer Zeit (MEZ) beträgt die Zeitverschiebung zur Ortszeit auf den Falklandinseln minus vier Stunden. Von daher decken sich die Zeitangaben von Bill Chater sehr gut mit den Modellberechnungen von ESA und U.S. Strategic Command, die auf 01.16 Uhr MEZ am 11. November 2013 kamen. Chater beobachtete in der Abenddämmerung eine von Süden nach Norden ziehende Leuchtspur, die erst in zwei und dann in mehrere Teile zerfiel. Geistesgegenwärtig konnte er die Aufnahme machen. Die ESA hat im Laufe des 12. November 2013 bestätigt, dass es sich um den verglühenden GOCE handelt.

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Der Beitrag GOCE – Logbuch zum Missionsende (Updates) erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA, DLR.

Dass es von im Weltraum positionierten Satelliten nur selten Aufnahmen gibt, werden viele Raumfahrt-Enthusiasten bedauern. Satelliten und Sonden haben oft eine filigrane Ästhetik, die mit Bildern aus der Startvorbereitungsphase am Boden kaum zu vermitteln ist. Die volle Pracht entfalten sie erst im Weltraum, richtig ausgeleuchtet vor dem Hintergrund der Erde oder sonstigen Himmelskörpern, wenn alle Solarflügel, Reflektoren und Gitterstrukturen ausgefahren sind und die Arbeit beginnt. Zu jenen Satelliten, die man gerne mal in Aktion gesehen hätte, gehört sicherlich auch GOCE (Abkürzung für Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer). In niedriger Umlaufbahn über der Erde, mit bautechnischen Zugeständnissen an die hier nicht ganz zu vernachlässigende äußert dünne Restatmosphäre und angetrieben von einem Ionentriebwerk, wirkt der Forschungssatellit auf künstlerischen Impressionen wie ein aus einem Science Fiction-Film entsprungenes Raumschiff im Anflug auf die Erde.

Einen solchen Anflug wird es aber nicht geben. Es wird nach Lage der Dinge noch nicht einmal einen halbwegs kontrollierten Absturz geben. Dem 2009 gestarteten GOCE wird voraussichtlich Mitte Oktober 2013 der Treibstoff ausgehen. Die ursprünglich vorgesehene Missionsdauer von 20 Monaten hat sich damit mehr als verdoppelt. Ohne Treibstoff kann der Satellit nicht mehr die Bremswirkung der Gasmoleküle im gegenwärtigen Arbeitsorbit in rund 230 Kilometer Höhe kompensieren. Für den Antrieb hat GOCE ein Ionen-Triebwerk an Bord, das mit Xenon arbeitet. Etwa Mitte Oktober dürfte der letzte Rest von ursprünglich 40 Kilogramm Xenon verbraucht sein. Der Satellit wird zunächst langsam seinen Orbit verlassen, mit zunehmenden Reibungswiderstand aber immer schneller sinken. Die ESA rechnet etwa drei Wochen nach dem Aus des Triebwerks mit dem Absturz.

GOCE wird zwar zum größten Teil in der Erdatmosphäre verglühen, einige Teile können jedoch die Oberfläche erreichen. Das können durchaus 25 Prozent der Satelliten-Masse von etwas über 1.000 Kilogramm sein. Wann und wo die Reste von GOCE niedergehen, kann die ESA gegenwärtig nicht voraussagen. Das wird erst kurz vor dem Wiedereintritt mit akzeptabler Fehlertoleranz möglich sein. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung von Menschen niedrig ist, sind die nationalen Raumfahrtbehörden weltweit inzwischen über das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee in die Beobachtung von GOCE eingebunden. Die ESA behält über ihr Space Debris Office die Federführung bei der Erstellung von Wiedereintrittsprognosen und Risikoabschätzungen für die betroffenen Regionen.

Es bleibt zu hoffen, dass das offensichtlich kaum kontrollierbare Ende von GOCE eine unspektakuläre Randnotiz in der Geschichte dieser Erfolgsmission bleibt. Der Satellit hat nicht nur ein detailgenaues Bild vom Schwerefeld der Erde geliefert. Erstmals wurde die Oberflächenzirkulation der Weltmeere mit einem einheitlichen Ansatz analysiert. Das aus GOCE-Daten errechnete Geoid, ein an eine Kartoffel erinnerndes Schwereabbild der Erde, dient unter anderem als hypothetischer Meeresspiegel im Ruhezustand. Dadurch wurden erstmals Meeresspiegeländerungen beispielsweise im Mittelmeer und vor Australien vergleichbar.

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• GOCE mit Rockot

Der Beitrag GOCE-Mission vor dem Ende erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Die Erdbeobachtung ist eines der wichtigsten Gebiete der Raumfahrt. Sie ermöglicht vielfältige Dienste, die allen Menschen nützlich sind. So wäre beispielsweise die Wettervorhersage der nächsten Tage ohne Satelliten, welche das Geschehen in der Atmosphäre messen, nicht möglich. Auch die Erstellung von detaillierten Landkarten bezieht ihre Daten aus der Raumfahrt. Zu diesem aufregenden Thema fand in Aachen das 24. Raumfahrtkolloquium statt.

In sieben Fachvorträgen ging es um Programme wie Living Planet von der ESA und den Anteil des DLR daran, aber auch über Missionen wie GOCE oder Cryosat 2 wurde berichtet. Ein Höhepunkt war der Bericht von Gerhard Thiele, welcher im Jahr 2000 selbst mit dem Space Shuttle in den Orbit flog und von dort sowohl mit Messinstrumenten als auch mit bloßem Auge die blaue Kugel beobachten konnte.

Erdbeobachtung im deutschen Raumfahrtprogramm

Für eine Raumfahrtnation wie Deutschland stellt die Erdbeobachtung einen beachtlichen Teil des Raumfahrtprogramms dar. Dazu sprach Dr. Hans-Peter Lüttenberg vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn.

Drei bedeutende Bereiche, die Erdbeobachtung versorgt, sind der gesellschaftliche, der wirtschaftliche und der wissenschaftliche. Für die Bevölkerung stellt die Erdbeobachtung viele Dienste bereit, die das tägliche Leben in vielen Bereichen erleichtern. Ein Paradebeispiel dafür ist Google Earth, welches die Beobachtung der ganzen Erde vom heimischen PC aus ermöglicht. Auch der wirtschaftliche Sektor unterstützt, da durch den Bau von Erdbeobachtungssatelliten Arbeitsplätze entstehen können und die Raumfahrtindustrie gefördert wird. Zuletzt nutzen viele Erdbeobachtungssatelliten auch der Wissenschaft, da durch Aufnahmen in verschiedenen Spektralbereichen neue Erkenntnisse über den Aufbau der Erde gewonnen werden können.

Das DLR betreibt derzeit mehrere Satelliten zum Zweck der Erdbeobachtung. In öffentlich-privater Partnerschaft mit EADS Astrium werden beispielsweise die Zwillingssatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X betrieben, welche im Formationsflug 3D-Bilder der Erde anfertigen können. Auf ENVISAT wird vom DLR das Instrument SCIAMACHY betrieben, welches die Spurengase in der Atmosphäre untersucht. Bereits beendet ist die Mission GRACE. Sie hat Messungen über die zeitlichen Änderungen des Schwerefeldes der Erde durchgeführt. Aufgrund ihres Erfolges ist jedoch bereits eine Nachfolgemission in Planung: GRACE-F soll in Zusammenarbeit mit der NASA gestartet werden. Eine kommerzielle Initiative, welche durch das DLR finanziell unterstützt wird, ist RapidEye. Fünf baugleiche, 2008 gestartete Kleinsatelliten beobachten die Erde im optischen Bereich. Ihr Vorteil liegt in der täglichen Wiederholrate der Aufnahmen sowie in der gesicherten Beobachtung größerer Gebiete.

Auch für die Zukunft sind weitere Missionen geplant. So soll im Jahre 2015 die Mission EnMAP starten und verschiedene Parameter des Ökosystems untersuchen. Dazu ist sie mit einem anspruchsvollen Hyperspektralinstrument ausgestattet, welches über 200 Kanäle abdeckt. 2015 oder 2016 ist es geplant, auf der französischen Plattform MYRIADE das Instrument MERLIN zu starten. Dieses soll Methanquellen am Boden auf ihre Intensität hin untersuchen. Auch soll das atmosphärische Methan genauer bestimmt werden. Als weitere sogenannte „Pickup-Nutzlast“ ist METimage geplant. Das Instrument soll 2019 auf dem EUMETSAT-Satelliten MetOp-SG starten und die Mikrophysik innerhalb von Wolken genauer bestimmen.

Aber nicht nur in Einzelarbeit betreut das DLR Projekte. Es ist auch in das Living Planet-Programm der ESA involviert. Von den 6 geplanten Missionen wurden drei bereits gestartet: GOCE (2009), SMOS (2009) und Cryosat 2 (2010, der Vorgänger Cryosat ging 2005 aufgrund eines Fehlers in der Trägerrakete verloren). Weitere geplante Missionen sind ADM-Aeolus (geplanter 2013), SWARM (2012) und EARTHCARE (2015).

GOCE – Schwerefeldbestimmung aus dem niedrigen Erdorbit

Über den ersten Satellit des Living Planet-Programms der ESA, welcher die Aufgabe hat, die Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld zu messen, referierte Prof. Dr.-Ing. Reiner Rummel vom Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie in München. Der Orbit des Satelliten hat nur eine Höhe von 265 km, damit dieser sich möglichst nahe an der Erde befindet. Um die Messungen durchzuführen, befinden sich im inneren 4 kubische Testmassen. Diese bestehen aus Platin-Rhodium und haben die Maße 4 cm x 4 cm x 1 cm sowie eine Masse von 320g. Sie sitzen jeweils 50 cm vom Schwerpunkt des Satelliten entfernt, wo sie einer Beschleunigung von einem Millionstel g ausgesetzt sind. Indem die Kraft, die auf diese Platten wirkt, genau gemessen wird, können Unregelmäßigkeiten im irdischen Schwerefeld genau gemessen werden.

Da die Reibung den Satelliten aufgrund seiner niedrigen Bahnhöhe innerhalb von 14 Tagen zum Absturz bringen würde und die Abbremsung außerdem die Messungen stören würde, wird diese jederzeit genau bestimmt und durch ein sehr genaues Ionentriebwerk kompensiert. Eine weitere Messmethode ist die Ermittlung der Geschwindigkeit mithilfe des US-Amerikanischen GPS. Indem die Abbremsungen und Beschleunigungen des Satelliten gemessen werden, können Rückschlüsse auf das Schwerefeld der Erde gezogen werden.

Die Messung des Erdmagnetfeldes durch CHAMP

Das Erdmagnetfeld birgt noch viele Geheimnisse, von denen bereits einige durch CHAM gelüftet wurden. Über diesen technisch anspruchsvollen Satelliten berichtete Prof. Dr. Hermann Lühr vom Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam.

Der am 15. Juli 2000 auf einer russischen Kosmos-Rakete gestartete CHAMP hatte die Aufgabe, das Erdmagnetfeld, welches zu einem großen Teil äußeren, flüssigen Teil des Kerns erzeugt wird, zu untersuchen. Er war bis zum 4.9.2010 voll funktionsfähig und verglühte 15 Tage später in Erdatmosphäre. Zu seinen Instrumenten gehörten verschiedene Magnetometer, welche teilweise an einem etwa vier Meter langen Ausleger angebracht waren. Am Schwerpunkt des Satelliten befand sich zusätzlich ein Accelerometer, welches die Beschleunigung messen konnte. CHAMP war außerdem der erste Satellit, der zur Navigation auf GPS setze und so über eine Art „Autopilot“ verfügte.

Ein wichtiges Ergebnis der CHAMP-Mission war die genauere Untersuchung des EEJ (Äquatorialer Elektrojet), welche dabei zum ersten Mal ausgeführt werden konnte. Der EEJ ist ein etwa 400 km schmaler, elektrischer Strom, der in der Ionosphäre von Ost nach West fließt. Jedoch ist die Stärke dieses Stroms nicht kontinuierlich, sondern hängt von verschiedenen Faktoren (z.B. Gewittern) ab. Problematisch beim EEJ ist, dass eine erhöhte Leitfähigkeit der Ionosphäre Funksignale wie GPS stören kann.

Auch für die Mission CHAMP ist ein Nachfolger geplant: 2012 soll die aus drei Satelliten bestehende Mission SWARM starten und das Magnetfeld noch genauer untersuchen, als es ihrem Vorgänger möglich war.

ENVISAT und die Chemie unserer Atmosphäre

Die Erdatmosphäre befindet sich ständig im Umbruch und unterliegt vielen äußeren Einflussen. Über diese und die Untersuchungen dieser berichtete Prof. Dr. John P. Burrows vom Institut für Fernerkundung an der Universität Bremen.

Sowohl der Mensch wie auch die Sonne und andere äußere Einfluss verändern ständig die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre. Dies wurde und wird immer noch durch das SCIAMACHY-Instrument (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY) auf dem Europäischen Umweltsatelliten ENVISAT untersucht. Dieses Spektrometer untersucht die Verteilung von Spurengasen in der irdischen Lufthülle. Aus den gewonnenen Daten können globale Daten dieser Gase erstellt werden, aus denen Rückschlüsse auf die Entstehung bzw. den Ausstoß der Atmosphärenbestandteile gezogen werden können. Ursprünglich war es geplant, zwei Instrumente dieses Typs mitzuschicken, aufgrund des begrenzten Budgets war jedoch nur ein einziges möglich.

Auf den Karten der verschiedenen Gase lassen sich viele Tätigkeiten des Menschen auf der Erde erkennen. So sind beispielsweise auf der Darstellung der globalen NO₂(Stickstoffoxid)-Verteilung Schifffahrtsstraßen erkennbar. Auch Industrieländer wie das aufstrebende Südafrika sind gut sichtbar. Herausgefunden wurde bei den Untersuchungen unter anderem, dass der NO₂-Gehalt in der Erdatmosphäre saisonal schwankt und der Gehalt in Europa insgesamt über die Jahre sinkt.

Die Polkappen des blauen Planeten – Cryosat 2 bestimmt die Dicke des Arktiseis

Die Dicke des Eises im Nordpolar sinkt und das hat Folgen – positive und negative. Über dieses spannende Thema und seine Erforschung durch den europäischen Satelliten Cryosat 2 berichtete Prof. Dr. Rüdiger Gerdes vom Alfred-Wegner-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremverhaven.

Dass das Eis im Nordpolarmeer weniger wird, war schon lange bekannt. Jedoch wusste man nie, wie viel weniger. Um dies genauer zu untersuchen, wurde Cryosat-2 gestartet. Der Nachfolger der aufgrund eines Raketenfehlers verloren gegangenen Mission Cryosat untersucht mithilfe eines Radarinstruments die Eisdicken im nördlichen Polarbereich. Jedoch eignet sich der Satellit eher für die Untersuchung saisonaler Unterschiede als für tagesaktuelle Messergebnisse, da er auf seiner Umlaufbahn um die Erde 90 Tage braucht, bis er sich wieder über einem Punkt der Erdoberfläche befindet.

Um zu sichern, dass Cryosat 2 die richtigen Daten liefert, wurde an einigen Stellen vom Boden aus das Ergebnis kontrolliert. Im Rahmen der CryoVEx-Kampagne (CRYOsat Validation EXperiment) wurden unter anderem mit Flugzeugen die Eisdicke aus nächster Nähe bestimmt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Instrumente an Bord des Satelliten ordnungsgemäß kalibriert werden konnten und die Daten für wissenschaftliche Zwecke verwendet werden können.

Die Menge des Eises sinkt seit Jahren, was viele Folgen hat: Unter anderem werden neue Schifffahrtswege frei, was die Fahrtzeit und –kosten erheblich reduziert. Jedoch wird durch die höhere Anzahl von Schiffen im Polargebiet auch mehr Ruß ausgestoßen, welcher sich auf dem Eis niedersetzt. Da dadurch mehr Sonnenlicht absorbiert wird, schmilzt mehr Eis ab und die Polkappe verkleinert sich weiter.

Der Klimawandel und seine Auswirkungen auf die Erde

Durch die Raumfahrt konnten viele Erkenntnisse über das Klima und seinen Wandel gewonnen werden. Doch welche Auswirkungen hat dieser auf die Erde? Über dieses Thema referierte Dr. habil. Helmut Kühr vom Internationalen Büro des BMBF beim DLR in Bonn.

Durch den Klimawandel entstehen verschiedene Herausforderungen, die in Zukunft noch mehr beachtet werden müssen. So sollte beispielsweise mehr in die sogenannten erneuerbaren Energien investiert werden, damit eine Stromversorgung auch nachhaltig gesichert ist. Die Nachhaltigkeit ist auch in anderen Bereichen wichtig, da z.B. die Forstwirtschaft und Fischerei sonst geschädigt werden können.

Die Erde aus der Sicht eines Astronauten – Gerhard Thiele berichtete

Nicht nur mit unbemannten Satelliten wird die Erde beobachtet, auch Astronauten schauen auf die blaue Kugel. Der deutsche Gerhard Thiele war bei der Space-Shuttle-Mission STS-99 dabei und berichtete in Aachen von seiner Mission.

Während der SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) konnte ein hochgenaues Höhenprofil der Erde erstellt werden. Dazu wurde ein etwa 60 Meter langer Mast mitgeführt, an dessen Ende eine Radarantenne befestigt war. Zusammen mit einer zweiten im Inneren der Nutzlastbucht konnten so dreidimensionale Aufnahmen der Erdoberfläche angefertigt werden, aus denen genaue Höhen aller Punkte auf der Erde berechnet werden konnten.

Dazu mussten jedoch zwei Parameter genauestens bekannt sein: Der Abstand zwischen Boden und Shuttle und der Abstand der beiden Kameras. Während die Entfernung zum Boden durchgehend vom Boden gemessen wurde, war die Bestimmung des Kameraabstands eine der Hauptaufgaben der Crew. Durch temperaturabhängige Ausdehnung und Schwingungen bei Triebwerksmanövern veränderte sich die Länge des Mastes ständig, jedoch war für die Genauigkeit der Daten eine Kenntnis unabdingbar.

Der Beitrag Die vermessene Erde – Das 24. Raumfahrtkolloquium in Aachen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA.

Nach einem Problem mit der Ausstrahlung von Telemetriedaten war die Umlaufbahn von GOCE um die Erde im Juli 2010 auf durchschnittlich 263 Kilometer über der Erdoberfläche angehoben worden, um in sicherem Abstand zur Erde den an Bord des Satelliten aufgetretenen Problemen in Ruhe auf den Grund gehen zu können. In seinem regulären Arbeitsorbit wird der Satellit permanent von der Restatmosphäre abgebremst, so dass er dort nur sicher betrieben werden kann, wenn seine Systeme gesund und vital sind. Nachdem das Telemetrieproblem Anfang September 2010 behoben worden war, benötigten die Techniker im Kontrollzentrum des Raumfahrzeugs drei Wochen, um seine Umlaufbahn mit hoher Präzision wieder abzusenken. Auf 10 Meter genau gelang es, GOCE auf eine Bahn in rund 254,9 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche zu steuern. Dort setzt der Satellit die Erfassung von Daten zur Kartierung des Schwerefelds der Erde mit bisher nicht gekannter Genauigkeit und Auflösung fort.

GOCE ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 34.602 und als COSPAR-Objekt 2009-013A.

Raumcon:

• GOCE mit Rockot

Der Beitrag GOCE back on track erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA. Vertont von Peter Rittinger.

Die ESA berichtete am 7. September 2010, dass GOCE seine Mission dank des unermüdlichen Einsatzes der beteiligten Experten wird fortsetzen können. Am 8. Juli 2010 waren die Sendungen der von GOCE erfassten Daten auf dem dafür an und für sich vorgesehen Weg an die Bodenstationen plötzlich abgebrochen. Untersuchungen von Experten der ESA und ihrer Industriepartner förderten zutage, dass es aller Wahrscheinlichkeit nach ein Problem mit der Kommunikation zwischen Prozessor- und Telemetriemodulen in GOCEs Hauptrechner gab.

Die logisch zwischen Prozessorboard und GOCEs Sendeanlagen sitzenden Telemetriemodule sind zentrale zur Datenverarbeitung und -Übermittlung erforderliche Komponenten. Nach dem Einspielen von Softwareanpassungen konnten über eine langsame Datenverbindung, die weiter zwischen Satellit und Bodenstationen bestand, Diagnoseinformationen übertragen werden. Diese erlaubten es, ein Verständnis für den Zustand des Raumfahrzeugs und die Situation an Bord zu entwickeln und einen Plan zu entwerfen, wie GOCE wieder so ertüchtigt werden könnte, dass er Messaufgaben erfüllen kann. Eine der Maßnahmen war dann, die Abteilung, in der die Rechneranlagen von GOCE untergebracht sind, um rund sieben Grad Celsius zu erwärmen. Dies führte schließlich zur Wiederherstellung der normalen Kommunikationsverbindungen zwischen Satellit und Bodensegment.

Für den Fall, dass sich der Fehler wiederholen sollte, will man sich wappnen. Weitere Softwareanpassungen sind in Arbeit. Sie sollen unter anderem die Zusammenarbeit von Komponenten der beiden ursprünglich als redundante Systeme ausgelegten Hauptrechner von GOCE sicherstellen. Wegen eines Chipfehlers war einer der beiden Rechner im Februar 2010 ausgefallen. Das defekte Bauteil ist unbenutzbar, was jedoch nicht für andere Bestandteile dieses Rechners gilt. Einen Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen den beiden Ereignissen im Februar und im Juli hat man bisher nicht gefunden.

Zwei Drittel der Datenmenge, die man sich von GOCE erwartet hat, konnte der Satellit bereits liefern, seit er im September 2009 mit Messkampagnen begonnen hat. Schon jetzt stehen Wissenschaftler in aller Welt ausgesprochen wertvolle Daten in erheblichem Umfang zur Verfügung, die eine maßgebliche Verbesserung des Verständnisses des Schwerefelds der Erde erlauben. Hinsichtlich des fehlenden Drittels ist man bei der ESA zuversichtlich, die entsprechenden Daten nun in den kommenden Monaten gewinnen zu können. Darüber hinaus hofft man, GOCE weit über seine Auslegungsbetriebsdauer hinaus einsetzen zu können. Weil man für den Flug des Satelliten auf einer wegen seiner speziellen Messaufgabe sehr niedrigen Umlaufbahn bis dato deutlich weniger Treibstoff als erwartet verbraucht hat, scheint ein Betrieb des Satelliten weit über 2011 hinaus möglich.

GOCE ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 34.602 und als COSPAR-Objekt 2009-013A.

Raumcon:

• GOCE mit Rockot

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA.

Die Europäische Weltraumorganisation ESA gab am 24. Oktober 2008 bekannt, dass ein Start wegen des Zeitaufwandes für die Nacharbeiten und Änderungen an der Hardware des Lenk- und Navigationssystems nicht vor Februar 2009 zu erwarten sei. GOCE soll von einer Rockot-Rakete vom russischen Startplatz Plesetsk ins All gebracht werden.

Der zuletzt für September 2008 vorgesehende Start kam wegen Problemen mit dem Lenk- und Navigationssstem der Breeze-KM-Oberstufe nicht zustande. Die Ursache für die Probleme wurde zwischenzeitlich identifiziert, das fehlerhafte Verhalten des Lenk- und Navigationssstem ließ sich reproduzieren.

GOCE soll das Schwerefeld der Erde in bisher nicht erreichter Genauigkeit vermessen.

Raumcon:

• Raumcon: GOCE mit Rockot

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA, EUROCKOT.

Der Start stand kurz bevor. Nach bisheriger Planung hätte er am 10. September um 16:21 Uhr MESZ vom Kosmodrom Plessezk, Startplatz LC-133, aus auf einer ROCKOT Rakete erfolgen sollen.
Bei den Vorstartüberprüfungen wurde das Navigationssystem der Raketenoberstufe auffällig. Um die entsprechenden Geräte austauschen zu können, müssen Oberstufe und Satellit mit Nutzlastadapter und Nutzlastverkleidung von der Trägerrakete heruntergenommen werden. Die Breeze-KM-Oberstufe wird im Integrationsgebäude gewartet. Damit ein Zugriff auf die zu wartenden Komponenten möglich ist, müssen Nutzlastverkleidung, Satellit und Nutzlastadapter von der Oberstufe getrennt werden.

Man hofft, dass die Arbeiten zügig erledigt werden, damit der jetzt anvisierte Start am 5. Oktober 2008 um ebenfalls 16:21 Uhr MESZ erfolgen kann.

Für die Mission des Satelliten und die erwarteten wissenschaftlichen Ergebnisse sollen sich aus der Startverzögerung keine negativen Konsequenzen ergeben.

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Raumcon: GOCE mit Rockot

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