Quelle: GFZ 13. Juni 2024.

13. Juni 2024 – Mittlerweile planen die US-Weltraumbehörde NASA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ die dritte Generation, weil die Messungen völlig neue Einblicke in das System Erde und vor allem in den globalen Wasserkreislauf ermöglicht haben.

Hochrangige Delegation aus den USA besucht Deutschland
Auf Einladung der Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, Dr. Anna Christmann, war eine hochrangige US-Delegation anlässlich der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA (5.-9. Juni) ins Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) nach Berlin gekommen. Der geschäftsführende Sekretär des Nationalen Weltraumrates der USA, Chirag Parikh, führte die Delegation an. In einem eigenen Panel stellten Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des GFZ den Teilnehmenden des Raumfahrtdialogs das Messprinzip und die wissenschaftlichen Erfolge der Missionen GRACE (2002 bis 2017) und GRACE Follow-On (seit 2018 im All) vor. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten, das C steht für Continuity.

Wie Wassermassen vom Weltall aus gemessen werden
GRACE misst Massenveränderungen auf und in der Erde, indem es deren Effekt auf ein Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand (das entspricht in etwa der Entfernung von Berlin und Jena) hintereinander unseren Planeten in rund 500 Kilometer Höhe umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um Bruchteile einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen und seit GRACE Follow-On auch per Laser-Interferometrie können diese Abstandsänderungen gemessen werden. Hinzu kommen GPS-Empfänger an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um einerseits die Position der Satelliten zu bestimmen und andererseits Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forschenden monatliche Karten der globalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der dazugehörigen Massenveränderungen. Diese beinhalten Variationen im Grundwasser, der Bodenfeuchte, von Oberflächengewässern oder Schnee- und Eisbedeckung. Mit Hilfe von komplementären Beobachtungen oder Modelldaten lassen sich so aus GRACE-Daten einzigartig beispielsweise Grundwasserveränderungen global und auf monatlicher Basis ableiten.

Lange Zeitreihen sind essenziell
Die Messungen seit mehr als 22 Jahren zeigen zum Beispiel für Grönland einen dramatischen Verlust an Eismasse: mehr als 250 Milliarden Tonnen jedes Jahr. Aber auch Deutschland hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wassermasse verloren. Trotz des nassen Jahres 2023 fehlen nach den schweren Dürrejahren seit 2018 immer noch rund 10 Milliarden Tonnen im Gesamtwasserspeicher.

Für die Raumfahrtkoordinatorin der Bundesregierung ist GRACE-C „ein Schlüsselprojekt“. Anna Christmann sagte: „Wir brauchen Langzeitstudien, um das Klima zu verstehen. Die Datensammlung zum globalen Wasserhaushalt der Erde, die durch die GRACE-Satelliten seit über 20 Jahren erzeugt wird, ist daher von enormer Bedeutung. GRACE-C ist deshalb auch ein wichtiges Schlüsselprojekt der neuen Raumfahrtstrategie der Bundesregierung, da es in den Handlungsfeldern Klimaschutz und internationale Zusammenarbeit große Beiträge zur Umsetzung der Ziele leistet. Die Mission ist ein absolutes Leuchtturmprojekt.“

Auch Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, betonte die Bedeutung der langen Zeitreihen: Ziel sei es, mit dem Start von GRACE-C voraussichtlich im Jahr 2028 dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren erfassen zu können. Sie lenkte den Blick noch einmal auf das revolutionäre Messprinzip und dessen Geschichte, die auch mit dem ersten Satelliten des GFZ verbunden sei. GFZ-1 war 1995 von der russischen Raumstation „Mir“ aus ins All gebracht worden und kreiste fünf Jahre lang so tief um die Erde, dass die Auswirkungen des Schwerefelds deutlich messbar seine Bahn beeinflussten. „Dass wir aus Schwerefelddaten einmal die Folgen der Erderwärmung und insbesondere Veränderungen im globalen Wasserkreislauf wie Dürren, Grundwasservariationen oder Eismassenverluste so genau würden bestimmen können, war damals kaum zu glauben. Und heute blicken wir auf mehr als zwei Jahrzehnte mit monatlichen Schwerefeldkarten zurück“, sagte Susanne Buiter.

Dr. Jens Brandenburg, Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, hob bei der gemeinsamen Pressekonferenz hervor, dass die Forschung weltweit von den gewonnenen Daten profitiere: „GRACE und GRACE-FO gehören zu den am häufigsten zitierten Missionen in den Berichten des Weltklimarates IPCC. Tausende von wissenschaftlichen Publikationen basieren auf den Daten der beiden Satelliten-Duos. Dies unterstreicht die herausragende internationale Vernetzung der deutschen Erdsystemforschung und die hohe Bedeutung der GRACE-Missionen. So können durch den Klimawandel bedingte Veränderungen dokumentiert und mit mehrjährigem Vorlauf Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung geplant werden.“

Dr. Walther Pelzer, Vorstand der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, lenkte den Blick auf die deutsch-amerikanische Kooperation. Die Partnerschaft zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA und den deutschen Partnern „ist ein Zeichen für die Qualität der Raumfahrtindustrie und -wissenschaft in Deutschland“, so Pelzer.

Hintergrund zu GRACE-C
Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt. Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen.

Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI), unterstützt vom Albert-Einstein-Institut in Hannover im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam wird für den Aufbau und die Durchführung der wissenschaftlichen Auswertungen im sogenannten Science Data System (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase nach dem Start der beiden Satelliten wird das GFZ für den operationellen Betrieb, also die permanente Überwachung und Steuerung der Instrumente und der Satelliten von GRACE-C, verantwortlich sein. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten, im Auftrag des GFZ, nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GSOC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

Weitere Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen stellen wir Ihnen über unser neues Informationsportal bereit:
www.globalwaterstorage.info

Insbesondere werden hier die relevanten Informationen zur globalen Wasserverfügbarkeit gebündelt, deren Grundlage die Daten der GFZ/NASA-Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO sind.
In anschaulich dargestellten Artikeln und Blogbeiträgen beschreiben die Wissenschaftler:innen viel Wissenswertes rund um das einzigartige Messprinzip, und stellen wichtige Forschungsergebnisse über ausgewählte Karten, Grafiken oder Animationen dar.

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• GRACE-C

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Quelle: GFZ 21. März 2024.

21. März 2024 – Am 22. März ist der Welttag des Wassers. Vermeintlich allgegenwärtig, ist Wasser längst in weiten Teilen der Welt zur kostbaren und knappen Ressource geworden. Der Klimawandel hat die Situation vielerorts verschärft. Auch Deutschland hat in den vergangenen fünf Jahren drastische Dürren erlebt. Für das Jahr 2023 haben jetzt Forschende um Eva Börgens und Christoph Dahle vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ den soeben komplettierten aktuellsten Datensatz des Satellitenduos GRACE-Follow-On ausgewertet, der auf Basis von Schwerefeldmessungen genaue Einblicke in die Wasserbilanz der Erde ermöglicht. Sie zeigen, dass sich der Gesamtwasserspeicher in Deutschland im Jahr 2023 zwar etwas erholt hat, dass im Vergleich zum langjährigen Mittel aber immer noch rund 10 Milliarden Tonnen fehlen. Zum Vergleich: Der Bodensee fasst in etwa 48 Milliarden Tonnen Wasser. Für Europa ist gegenüber dem Mittelwert seit Beginn der Messungen im Jahr 2002 ein Rückgang des Gesamtwasserspeichers um rund 100 Milliarden Tonnen zu verzeichnen. Daraus lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt allerdings noch kein eindeutiger Trend ableiten.

Der sogenannte terrestrische Gesamtwasserspeicher TWS (von engl. Terrestrial Water Storage) setzt sich zusammen aus den Wasserkreislaufkomponenten Eis (also Gletscher), Schnee, Bodenfeuchte, Grundwasser sowie dem Oberflächenwasser in Flüssen, Seen und künstlichen Reservoiren. TWS ist eine wichtige Messgröße für die Umwelt- und Klimaforschung. Sie gehört mittlerweile offiziell zu den 54 „Essenziellen Klimavariablen“, die entscheidend zur Charakterisierung des Erdklimas beitragen und wichtige Basis für die Arbeit des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sind. Der TWS wird von der deutsch-amerikanischen GRACE-FO-Mission zur Verfügung gestellt.

Damit liefern die Schwerefeldmissionen nicht nur wertvolle Daten zum Wasser auf und unter der Erdoberfläche, sondern auch zur Massenbilanz der großen Inlandeisschilde über Grönland und der Antarktis. Der Trend ist hier dramatisch: Jahr für Jahr verliert Grönland rund 224 Milliarden Tonnen an Eis und die Antarktis, die ungleich kälter ist, 138 Milliarden Tonnen.

Neues Informationsportal des GFZ zur globalen Wasserspeicherung
Diese und weitere aktuelle sowie hintergründige Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen, ihrem Messprinzip und der Datenauswertung, aber auch zu Forschungsprojekten sowie Animationen und Karten finden Sie in dem neuen Informationsportal globalwaterstorage.info, das das GFZ eingerichtet hat. Beispielsweise findet sich hier eine animierte Zeitreihe, die eindrücklich zeigt, wie Europas Gesamtwasserspeicher seit 2002 immer kleiner geworden ist. Faktenblätter und Themendossiers ergänzen das Angebot, das sich insbesondere an Vertreter:innen der Medien und politische Entscheidungsträger:innen, aber auch an die breite interessierte Öffentlichkeit richtet.

Schwerefeldmission wird fortgesetzt und auch künftig wichtige Wasser- und Klimadaten liefern
Seit 2002 liefern die Tandem-Satelliten der GRACE- bzw. seit 2018 der nachfolgenden GRACE-FO-Mission wichtige Daten für die Klimabeobachtung: GRACE steht für Gravity Recovery and Climate Experiment, übersetzt: Schwerkraftermittlungs- und Klimaexperiment. Sie ist eine gemeinsame Mission der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR sowie des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ mit weiteren Forschungs- und Industriepartnern. Die Satelliten ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Schwerefelds der Erde. Auf Basis von dessen winzigen Änderungen können zeitliche und räumliche Veränderungen im globalen Wasser- und Eishaushalt ermittelt werden – und damit auch der Einfluss, den der Klimawandel darauf hat.

Die an den GRACE-Missionen beteiligten Forschungseinrichtungen in den USA und Deutschland, die Industriepartner sowie die Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und für Bildung und Forschung (BMBF) haben sich geeinigt, die Mission fortzusetzen: Voraussichtlich 2028 wird GRACE-C starten und auch weiterhin das Schwerefeld der Erde vermessen. Damit ist sichergestellt, dass die Vermessung des Wasserkreislaufs der Erde über eine Zeitspanne von wenigstens rund 30 Jahren erfolgen kann – ein Zeitraum, der als Klimaperiode gilt.

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: DLR 19. März 2024.

19. März 2024 – Der Mittelmeerraum Europas trocknet seit Jahren aus. In einigen Regionen Spaniens – wie in der Metropole Barcelona – herrscht Alarmzustand, weil der Grundwasserspiegel teilweise um drei Meter pro Jahr fällt. Und auch auf dem gesamten Kontinent ist er seit dem Rekord-Dürrejahr 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen in jüngster Zeit einen anderen Eindruck vermitteln. So hat Deutschland innerhalb der vergangenen 20 Jahre mehr als 15 Milliarden Tonnen Wasser verloren. Um solche Daten zu gewinnen und mit ihnen ein genaues Bild von den Grundwasserspiegeln wie auch des globalen Wasserhaushalts zu bekommen, muss man aus dem All unter die Erdoberfläche „schauen“. Hierbei helfen gemeinsam mit anderen Messmethoden seit über zwei Jahrzehnten die Daten eines ganz besonderen Satellitenpärchens: Am 17. März 2002 starteten mit „Tom“ und „Jerry“ die ersten beiden Satelliten im „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

22 Jahre später haben die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und die NASA mit GRACE-C diese sehr erfolgreiche Mission nach GRACE Follow-On (GRACE-FO) zum zweiten Mal verlängert. Das „C“ steht dabei für „Continuity“, womit die Konstanz in den Messreihen dieser Umweltmissionen gewürdigt wird. Von deutscher Seite als wissenschaftliche Beteiligte dabei sind das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. Gebaut werden die Satelliten bei Airbus in Friedrichshafen. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI). Der Start für das neue Satellitenpaar von GRACE-C ist für das Jahr 2028 mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX vorgesehen. Im Anschluss soll das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) beim DLR in Oberpfaffenhofen die Missionskontrolle übernehmen.

„Ohne Wasser kein Leben. Das macht Wasser gemeinsam mit sauberer Luft zur wichtigsten Ressource, die wir auf der Erde haben. Doch die Grundwasserspiegel auf der ganzen Welt verändern sich stetig. Hierbei geht es nicht um Kleinigkeiten. Mit den GRACE-Satelliten erfassen wir seit mehr als 20 Jahren jede Veränderung dieser Massentransporte global so präzise, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Die Mission GRACE-C wird diese unschätzbar wertvolle Datensammlung fortsetzen, die zu den Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates gehört“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „Gemeinsam mit der NASA gehen wir nun den GRACE-Weg in der Erdbeobachtung weiter und stärken damit unsere internationalen Kooperationen in der Raumfahrt. Die USA und Deutschland arbeiten seit langem eng bei der Klima- und Umweltforschung aus dem All zusammen. Das Vertrauen, das unsere US-amerikanischen Partner bei diesen Missionen mit der Beauftragung des Satellitenbaus und der Lieferung von wichtigen Teilen des GRACE-C-Instrumentes sowie der Missionskontrolle in deutsches Raumfahrt-Know-How setzen, ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit des Raumfahrtstandorts Deutschland“, unterstreicht Dr. Walther Pelzer.

„GRACE-C ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt zur Beobachtung und Erforschung einer der wertvollsten Ressourcen unseres Planeten“, sagt Dr. Nicola Fox, Stellvertretende NASA-Administratorin zuständig für Wissenschaft in Washington. „Von unseren Küsten bis zu unseren Küchentischen gibt es keinen Aspekt unseres Planeten, der nicht von Veränderungen im Wasserkreislauf betroffen ist. Die Partnerschaft zwischen der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung auf die Herausforderungen von heute und morgen spielen“, so Nicola Fox weiter.

GRACE-C – NASA verlässt sich auf deutsche Raumfahrtexpertise
Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen. Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Ein wichtiger Teil dieses Laser Ranging Interferometer (LRI)-Systems – die sogenannte optische Bank und der Retroreflektor – kommt dabei von der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad am Bodensee. Deren Ingenieurinnen und Ingenieure werden dabei vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover unterstützt. Das AEI berät technisch und bezahlt die Beschaffung von LRI-Komponenten sowie von Test-Equipment, die wiederum von STI beauftragt werden. Das AEI überwacht auch die technischen Funktionen des LRI in der Betriebsphase.

GRACE-C – Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie messen die Satelliten mit diesem besonderem Lasersystem eigentlich die Verschiebung der Massen? Die Idee hinter dem GRACE-Prinzip ist eigentlich ganz einfach: Das Satellitenpärchen erfasst die Massen alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung. Dafür fliegen die beiden Satelliten jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanzabweichungen und Geschwindigkeit der beiden werden dabei mithilfe der Laser ständig ganz exakt gemessen. Dabei wird eine Genauigkeit von 200 bis 300 Picometern erreicht, was in etwa der Größe eines Atoms entspricht.

„Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – beeinflussen dabei mit ihren Massen die Flugbahn der Satelliten im All. Je stärker diese Gewichtskraft ist, desto mehr wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch beschleunigt er und entfernt sich vom anderen Satelliten. Je schwächer diese Kraft ist, desto weniger wird der voranfliegende Satellit beschleunigt. So nähert er sich wieder dem hinteren an. Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Im übertragenen Sinne wiegen wir mit GRACE, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat ab- oder zunehmen“, erklärt Dr. Sebastian Fischer, GRACE-C-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht nur im All. Erst anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden werden die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt und mit anderen Daten kombiniert. Dies ermöglicht unter anderem die Messung von Änderungen im Grundwasserspiegel mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter auf 400 Kilometer Durchmesser – und das alle 30 Tage für die gesamte Erde. Hierbei spielt das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam eine wichtige Rolle: Es wird für den Aufbau des sogenannten Science Data Systems (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase ist das GFZ dann für den wissenschaftlichen Betrieb von GRACE-C zuständig.

GRACE-C – deutsch-amerikanische Mission unter DLR-Kontrolle
Nach dem Start der beiden GRACE-C-Satelliten an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX voraussichtlich im Jahr 2028 werden sie in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Rund eine Minute später soll die erste Kontaktaufnahme mit einer Bodenstation stattfinden. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GOSC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

GRACE – erfolgreiche Missionsreihe zur Beobachtung unserer Umwelt
GRACE war eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und des DLR, die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant aktiv war. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die University of Texas und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde vom DLR (aktuell der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ finanziert. Das NASA JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger der Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen. Auch die GRACE-C-Mission, die im Jahr 2028 starten soll, wird in Friedrichshafen gebaut. Der deutsche Beitrag wird von der Deutschen Raumfahrtagentur mit mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umgesetzt. Dies wird durch Beiträge der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird dabei für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) gemeinsam mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für die Entwicklung und den Bau der laserbasierten Abstandsmessung zwischen dem GRACE-Satellitenpaar zuständig sein.

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• GRACE-C

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. März 2024.

Friedrichshafen, 19. März 2024 – Airbus hat vom Jet Propulsion Laboratory JPL (Pasadena, Kalifornien) der NASA den Zuschlag für die Entwicklung und den Bau der GRACE-C-Zwillingssatelliten erhalten. Diese neue Mission der NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird die mehr als 20-jährige Partnerschaft zwischen den USA und Deutschland fortsetzen und damit die ununterbrochenen Messung des Schwerefelds der Erde gewährleisten. 2002 begann die Kooperation mit GRACE und wurde mit dem 2018 gestarteten GRACE Follow-On fortgeführt.

Während ihrer fünfjährigen nominellen Missionsdauer wird die GRACE-C-Mission (Gravity Recovery And Climate Experiment-Continuity) die Messreihe fortsetzen, mit der beobachtet wird, wie sich das Grundwasser, die Ozeane, die Eisschilde und das Land der Erde von Monat zu Monat verändern, indem Veränderungen im Schwerefeld des Planeten gemessen werden.

Alain Fauré, Leiter von Space Systems bei Airbus, sagte: „Es ist erstaunlich, dass zwei Satelliten, die mehr als 200 km voneinander entfernt sind, uns sagen können, wie schnell unsere Eisschilde schmelzen, ohne auf die Erde zu schauen. Bei der Umweltüberwachung ist Kontinuität ein Schlüsselelement. Die wertvollen Daten, die die bisherigen GRACE-Missionen geliefert haben, sind ein Beweis für ihren Erfolg, und es ist eine großartige Nachricht, dass Airbus weiterhin Teil dieser internationalen Mission ist, die die Instrumente zur Messung der Entwicklung unseres Klimas liefert.”

GRACE-C besteht aus zwei identischen Satelliten, die im Abstand von etwa 200 km auf einer Umlaufbahn in 500 km Höhe mit einer Neigung von 89 Grad fliegen. Jeder Satellit wird etwa 3 x 2 x 1 Meter groß sein und rund 600 kg wiegen. Der Start soll frühestens Ende 2028 von den USA aus erfolgen.

Wie ihre Vorgänger ist auch die GRACE-C-Mission darauf ausgelegt, kleine Abstandsänderungen zwischen den Satelliten aufgrund von Schwerkraftschwankungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit bis auf den Mikrometer genau zu messen. Während die beiden Satelliten die Erde umkreisen, werden Bereiche mit etwas stärkerer Schwerkraft (größere Massenkonzentration) die Position der Sonde und damit den Abstand zwischen den Satelliten beeinflussen. Das äußerst präzise Mikrowellen-Entfernungsmesssystem wird diese Veränderungen aufspüren und die Kartierung des Schwerefelds der Erde mit unübertroffener Genauigkeit ermöglichen.

Anhand der Veränderungen in diesen Schwerkraftkarten – oder der Verfolgung der Massenkonzentration – können die Wissenschaftler im Laufe der Monate oder Jahren den globalen Wasserhaushalt, einschließlich Grundwasserspiegel und Eisschilde, und den Einfluss des Klimawandels beurteilen. Außerdem wird es Einblicke in die Tiefen- und Oberflächenströmungen in den Ozeanen und in den Beitrag der Ozeanhöhen liefern.

GRACE-C ist ein Umbau der beiden GRACE Follow-On Satelliten mit modernster Avionik und dem gemeinsamen US-amerikanisch-deutschen Laser Ranging Interferometer (LRI), das bereits auf GRACE Follow-On als experimentelle Nutzlast geflogen ist und nun das Hauptinstrument für die Entfernungsmessung darstellt.

Die Mission basiert auf einer ressortübergreifenden Partnerschaft zwischen NASA und DLR. Die deutschen Beiträge werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz sowie das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Die optische Bank des LRI-Instruments wird von der SpaceTech GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsforschung (Albert-Einstein-Institut) gebaut.

Airbus Defence and Space in Friedrichshafen wird die Satelliten entwerfen, bauen und zum Startplatz liefern, einschließlich der Unterstützung der NASA/JPL in der Start- und frühen Orbitphase (LEOP). Die Mission wird vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) des DLR betrieben.

GRACE-C – eine erfolgreiche Serie von Missionen zur Beobachtung der Erdumwelt geht weiter
GRACE-C ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) realisiert. Dies wird durch Beiträge anderer Projektpartner auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten verantwortlich sein und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) zusammen mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für den Bau des Lasersystems zur Messung der Entfernung zwischen den GRACE-C-Sonden.

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• GRACE-C

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Quelle: TU Graz 10. August 2023.

10. August 2023 – Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Erdatmosphäre können Satelliten zum Absturz bringen. Um dem vorzubeugen, setzt die European Space Agency (ESA) auf den in Graz entwickelten Vorhersageservice SODA.

Nach erfolgreicher Testphase ist der gemeinsam von TU Graz und Uni Graz entwickelte Service SODA (Satellite Orbit DecAy) seit Mitte Juli offiziell Teil des Space Safety Programmes der europäischen Weltraumagentur ESA. SODA liefert genaue Prognosen der Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Bahn von erdnahen Satelliten. Damit ist die TU Graz die erst dritte österreichische Einrichtung, die zu diesem Programm der ESA beiträgt. Neben Seibersdorf Laboratories war die Uni Graz zuvor bereits mit dem Observatorium Kanzelhöhe und dem Institut für Physik Teil des Programms.

Der neue Vorhersageservice ist über das ESA Space Weather Service frei verfügbar und bietet eine Vorwarnzeit von rund 15 Stunden. Da die Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren ihr Maximum erreichen soll, ist die Inbetriebnahme von SODA zum aktuellen Zeitpunkt von zusätzlicher Relevanz. Wie stark sich Sonnenstürme auf die Satellitenumlaufbahn auswirken können, hat sich schon im durch die Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) geförderten Projekt SWEETS gezeigt, auf dessen Ergebnissen SODA aufgebaut ist. In diesem Projekt wurden Daten zur Dichte der Atmosphäre mit Echtzeitmessungen des Sonnenwindplasmas und des interplanetaren Magnetfelds kombiniert, um so die Auswirkungen von Sonnenereignissen zu berechnen. Bei einem großen koronalen Massenauswurf der Sonne wurde dabei festgestellt, dass Satelliten in einer Höhe von 490 Kilometern bis zu 40 Meter an Höhe verloren. Anfang Februar 2022 stürzten 38 Starlink-Satelliten bei der Inbetriebnahme auf einer Flughöhe von 210 Kilometern aufgrund eines Sonnensturmes sogar ab.

Sonnenaktivität steuert auf Höhepunkt zu
Hauptursache dafür ist, dass die geladenen Plasmateilchen, die nach einer Sonneneruption auf das Erdmagnetfeld treffen, die oberen Schichten der Erdatmosphäre so stark erhitzen, dass diese sich ausdehnen und der Luftwiderstand zunimmt. Das kostet Satelliten Geschwindigkeit und Höhe. Aufgrund der erwarteten Zunahme der Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren hat die ESA einige ihrer Satelliten bereits um mehrere Kilometer angehoben, um sicher durch diesen Zeitraum zu kommen. Mit seinen Vorhersagen soll SODA zusätzliche Sicherheit schaffen. Für den Vorhersageservice steuerte die TU Graz ihre am Institut für Geodäsie vorhandene Expertise in der Verarbeitung von Satellitendaten bei, die Uni Graz brachte ihre Erfahrung im Bereich der Sonnen- und Heliosphärenphysik und der interplanetaren Magnetfeldbeobachtung ein.

Das Team rund um Sandro Krauss am Institut für Geodäsie an der TU Graz beschäftigte sich mit der Bestimmung von Atmosphärendichten über einen Zeitraum von 20 Jahren. Dafür griffen sie auf die Daten mehrerer erdnaher Satellitenmissionen zurück, darunter die Missionen CHAMP, GRACE, GRACE Follow-on und Swarm. An der Uni Graz analysierte die Forschungsgruppe um Manuela Temmer vom Institut für Physik rund 300 katalogisierte Sonneneruptionen aus den Jahren 2002 bis 2017 auf Basis von Messungen des interplanetaren Magnetfelds durch Sonden am sogenannten Lagrange-Punkt L1, der in Flugrichtung Sonne ungefähr 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Die Informationen der Uni Graz nutzte die TU Graz, um Veränderungen der Atmosphärendichte in Verbindung mit den Sonneneruptionen zu setzen. Aus der Gesamtanalyse der so gesammelten Daten entstand das Vorhersagemodell SODA.

Weltraumforschung hat hohen Stellenwert in Österreich
„Dass wir durch SODA mit der TU Graz nun die dritte Einrichtung sind, die neben Uni Graz und Seibersdorf Laboratories zum Space Safety Programm der ESA beiträgt, freut mich sehr“, sagt Sandro Krauss vom Institut für Geodäsie der TU Graz. „Von den fünf Expert Service Centers im ESA Space Weather Service Network ist Österreich damit in vier vertreten, nur Großbritannien ist an allen fünf Zentren beteiligt. Das zeigt, dass die österreichische Weltraumforschung einen hohen Stellenwert hat. Die Zusammenarbeit mit der Uni Graz bei diesem Projekt ist außerdem ein Beleg dafür, wie wertvoll interdisziplinäre Forschungsarbeit ist. Gemeinsam arbeiten wir bereits daran, SODA weiter zu verbessern.“

Manuela Temmer vom Institut für Physik der Uni Graz erklärt: „Für Uni Graz und TU Graz ist es eine schöne Anerkennung unserer Arbeit, dass wir mit diesem Service die ESA beliefern können. Es freut mich auch, dass die Zusammenarbeit weitergeht. Im Rahmen des von der FFG geförderten Projekts CASPER werden wir SODA gemeinsam noch verbessern. Es soll dazu dienen, komplexere Sonnenstürme besser zu verstehen, etwa wenn zwei Stürme sich auf dem Weg zur Erde überlagern. Weiters möchten wir auch die Atmosphärendichte auf 450 und 400 Kilometer Höhe berechnen – bisher ist uns das bis 490 Kilometer möglich. Da der Bereich der Sonnensturmvorhersage noch nicht sehr gut erforscht ist, warten hier noch viele interessante Erkenntnisse auf uns.“

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• Weltraumwetter

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Quelle: GFZ, 3. April 2023.

Zusammenfassung
Ein Team des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) hat nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bonn und des Forschungszentrums Jülich die Jahre von 2002 bis 2022 genauer untersucht. Ihr Fazit: Im Durchschnitt hat Deutschland jedes Jahr 760 Millionen Tonnen (0,76 Kubikkilometer) Wasser verloren – sei es durch abnehmende Bodenfeuchte, schwindendes Grundwasser, abgeschmolzene Gletscher oder gesunkene Wasserspiegel. Die Studie beruht in erster Linie auf Daten der Satellitenmissionen GRACE (2002 bis Missionsende 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018 aktiv). Das Besondere dieser Studie ist, dass die Forschenden vier verschiedene Auswertemethoden verglichen haben und damit zu einem deutlich geringeren Wasserverlust kamen als andere Auswertungen der Satellitendaten, die lediglich auf einer einzigen Methode beruhten. Der gesamte Wasserspeicher (auf Englisch Terrestrial Water Storage, TWS) hat demnach in den zwei Jahrzehnten um zusammengerechnet 15,2 Kubikkilometer abgenommen. Zum Vergleich: Der Wasserverbrauch aller Sektoren – Industrie, Landwirtschaft, Privathaushalte – in Deutschland beträgt rund 20 Kubikkilometer pro Jahr. Um verlässlich einen Trend abschätzen zu können, sei der Zeitraum jedoch zu kurz und zu stark von verschiedenen Extremen geprägt, schreiben die Forschenden in der April-Ausgabe der Fachzeitschrift „Hydrologie & Wasserbewirtschaftung (HyWa)“.

Hintergrund: Bestimmung von Schwerefeld und Wassermassen der Erde aus Satellitendaten
Die Satellitenmissionen GRACE (2002 bis Missionsende 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018 aktiv) sind einzigartig. Die Satelliten-Tandems vermessen die Erdanziehungskraft, das so genannte Schwerefeld, und dessen Änderungen global auf Monatsbasis. Aus diesen Schwerefelddaten lassen sich Massenverlagerungen erkennen, die wiederum Rückschlüsse auf Veränderungen im Wasserkreislauf erlauben, also beispielsweise das Abschmelzen von Gletschern oder das Entleeren von Grundwasserspeichern. Erstmals ist es damit zum Beispiel gelungen, den Eismassenverluste Grönlands und der Antarktis zu quantifizieren. Der große Vorteil dieser Art von Messung: Sie erfasst auch Grundwasserleiter, die tief unter der Erdoberfläche verborgen sind. Der Nachteil: Die räumliche Auflösung der Schwerefelddaten ist vergleichsweise grob: rund 300 mal 300 Kilometer. Verlässliche Aussagen lassen sich daher nur für Gebiete von rund 100.000 Quadratkilometern Größe treffen, das entspricht etwa der Fläche der ehemaligen DDR.

Neue Analyse verschiedener Datenreihen für Deutschland (2002-2022)
Ein Team von Forschenden unter der Leitung von Andreas Güntner vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ hat jetzt erstmals für Deutschland einen detaillierten Überblick über die von den Satelliten gemessenen Änderungen des Gesamtwasserspeichers der letzten zwanzig Jahre veröffentlicht. Beteiligt waren Kolleg:innen mehrerer GFZ-Sektionen sowie Forschende aus dem Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn und aus dem Forschungszentrum Jülich.

Unterschiede in der Auswertung der Daten
Für die Auswertung der Daten – sowohl was die Bestimmung des Schwerefeldes betrifft als auch daraus abgeleitet die Bestimmung der gespeicherten Wassermassen – muss eine ganze Reihe von störenden Effekten herausgerechnet werden. So sind die 300 mal 300 Kilometer messenden Datenflächen naturgemäß nicht scharf abgegrenzt, denn der Einfluss der Schwerkraft auf die Satelliten lässt sich nicht auf klar definierte Segmente der Erde zurückführen wie etwa bei einem Satellitenbild. Das zeigt sich etwa darin, dass der Schwerefeldeffekt abschmelzender Alpengletscher auch die Messungen für die Wasservorkommen im Alpenvorland überlagert (der Effekt wird „Leakage“ genannt): Wenn die Gletschermassen schwinden, sieht es für die Satelliten so aus, als ob auch weiter entfernte Wassermassen verschwunden seien. Außerdem ändert sich das Schwerefeld der Erde auch, ohne dass sich akut Wassermassen verändern. Ein solcher Effekt ist beispielsweise, dass sich in manchen Regionen nach dem Verschwinden der eiszeitlichen Gletscher heute noch die Erdkruste hebt.

Je nach Prozessierungsmethoden und korrigierenden Faktoren ergeben sich leicht unterschiedliche Werte für das Schwerefeld und dessen Variationen. Die Forschenden nutzten für ihre Studie vier Datenreihen: die GFZ-eigene, eine aus mehreren Datenreihen berechnete Kombinationslösung der Uni Bern (COST-G genannt), eine der Universitäten Graz und Bonn (ITSG/UB) und eine vom Jet Propulsion Laboratory der NASA (JPL Mascons). Zusätzlich nutzten sie Niederschlagsdaten und Computermodelle des FZ Jülich, die die Veränderung des Gesamtwasserspeichers simulierten.

Ergebnisse im Vergleich
Über weite Teile des Beobachtungszeitraums, insbesondere in den Jahren zwischen 2004 und 2015, stimmen die Ergebnisse aller vier Datensätze für die Schwerefeldänderungen gut überein. Unterschiede gab es vor allem zu Beginn und am Ende der Zeitreihen. Das Jahr 2002 war von extremen Niederschlägen insbesondere in Süd- und Ostdeutschland geprägt. Die verheerenden Hochwasser an der Donau und der Elbe ereigneten sich im August 2002. Und am Ende des Untersuchungszeitraums stehen die trockenen Jahre seit 2018. In beiden Extremfällen zeigte vor allem die NASA-JPL-Datenreihe größere Ausschläge nach oben und unten. Auch die jahreszeitlichen Unterschiede zwischen dem Maximum der Wasserspeicherung im Winter und dem Minimum im Sommer fallen bei der NASA-JPL-Reihe am stärksten aus.

Vorsicht bei der Interpretation geboten
Die Forschenden mahnen daher zu Vorsicht bei der Interpretation von Auswertungen, die lediglich auf einer Datenreihe beruhen, und weisen insbesondere auf besondere Empfindlichkeit für Flut- oder Dürre-Extreme bei der NASA-JPL-Mascons-Reihe hin. Sie vermuten die Ursache in unterschiedlichen Prozessierungsverfahren und bei der Korrektur des „Leakage“-Effekts.

Diskussion früherer Publikation: 0,76 versus 2,5 Kubikkilometer durchschnittlicher Wasserverlust pro Jahr in Deutschland
Es waren jedoch ausgerechnet diese Datenreihe und Schlussfolgerungen daraus, die im vergangenen Jahr zu einem großen Medienecho geführt hatten: Deutschlands Gesamtwasserspeicher verliere fast 2,5 Kubikkilometer Wasser pro Jahr, hatte es geheißen, besonders betroffen sei der Südwesten. Der Vergleich mit anderen Auswerteverfahren zeigt nun: Es sind vermutlich nur 0,76 Kubikkilometer, also knapp ein Drittel des über die JPL-Mascons-Reihe bezifferten Verlusts. Und besonders in der Nähe der Alpen müsse man den Schwerefeld-Effekt abschmelzender Gletscher (Leakage) zusätzlich in Betracht ziehen.

Schlussfolgerung und Notwendigkeit zur Verlängerung der Datenreihen
Trotz der niedrigeren Werte gibt der Leitautor der Studie, Andreas Güntner, zu bedenken: „Die Beobachtungen aus allen Datensätzen zeigen, dass ein Jahr mit höheren Niederschlägen wie 2021 nicht ausreicht, um die Defizite der Wasserspeicherung, die sich über den längeren Zeitraum angesammelt haben, wieder auszugleichen.“

Auch bei Prognosen raten die Forschenden zur Vorsicht. Mitautorin Helena Gerdener von der Universität Bonn mahnt: „Da es in den zwanzig Jahren der bisherigen Datenerhebung einige auffällige Extreme gegeben hat, ist eine Aussage zu einem langfristigen Trend nur schwer zu treffen.“

Umso wichtiger sei die Kontinuität der Messreihe, schreiben die Forschenden. Eine Fortsetzung der GRACE- und GRACE-FO-Missionen wird bereits geplant und soll 2028 ins All starten.

Originalpublikation:
Güntner, A., Gerdener, H., Boergens, E., Kusche, J., Kollet, S., Dobslaw, H., Hartick, C., Sharifi, E., Flechtner, F. (2023): Veränderungen der Wasserspeicherung in Deutschland seit 2002 aus Beobachtungen der Satellitengravimetrie. Hydrologie & Wasserbewirtschaftung, 67, (2), 74-89. DOI: 10.5675/HyWa_2023.2_1

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: TU Graz 25. Januar 2023.

25. Januar 2023 – Europa erlebt seit Jahren eine schwere Dürre. Auf dem gesamten Kontinent ist der Grundwasserspiegel seit 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen zeitweilig ein anderes Bild vermitteln.

Den Beginn dieser angespannten Situation belegt eine Publikation von Eva Boergens in Geophysical Research Letters (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL087285) aus dem Jahr 2020. Darin stellte sie fest, dass es in den Sommermonaten 2018 und 2019 einen eklatanten Wassermangel in Zentraleuropa gab. Seit damals gab es keinen signifikanten Anstieg der Grundwasserspiegel, die Pegel sind konstant niedrig. Das zeigen Datenauswertungen von Torsten Mayer-Gürr und Andreas Kvas vom Institut für Geodäsie an der TU Graz. Sie beobachteten im Rahmen des EU-Projekts Global Gravity-based Groundwater Product (G3P) mittels Satellitengravimetrie die weltweiten Grundwasservorkommen und dokumentierten deren Veränderungen in den vergangenen Jahren.

Weitreichende Folgen
Die Auswirkungen dieser langanhaltenden Dürre waren in Europa im Sommer 2022 evident. Trockene Flussbetten, stehende Gewässer, die zusehends verschwanden und damit einhergehend zahlreiche Auswirkungen auf Natur und Mensch. Nicht nur, dass zahlreiche Wasserlebewesen ihren Lebensraum verloren und trockene Böden der Landwirtschaft viele Probleme bereiteten, auch die Energieknappheit in Europa hat sich dadurch verschärft. Für Atomkraftwerke in Frankreich fehlte das Kühlwasser, um genügend Strom erzeugen zu können und Wasserkraftwerke konnten ohne ausreichend Wasser ihre Funktion ebenfalls nicht erfüllen.

Grundwassermessung aus dem Weltall
Wie können die Geodätinnen und Geodäten an der TU Graz mit Daten aus dem Weltall genaue Aussagen über die Grundwasserspeicher tätigen? Kernstück des Projekts G3P sind Zwillingssatelliten namens Tom und Jerry, die in einer polaren Umlaufbahn in knapp 490 Kilometern Höhe die Erde umkreisen. Wichtig ist der Abstand zwischen den Satelliten von rund 200 Kilometern: Der hintere darf den vorderen nicht einholen, weswegen sie in Anlehnung an die Cartoon-Figuren auch die Bezeichnung Tom und Jerry erhalten haben.

Die Distanz zwischen den Satelliten wird laufend genau gemessen. Fliegen sie über einen Berg, dann ist der vordere Satellit aufgrund der erhöhten Masse unter ihm zunächst einmal schneller als der hintere. Hat er den Berg passiert, bremst er wieder leicht ab, dafür beschleunigt der hintere Satellit, sobald er den Berg erreicht. Sind beide jenseits des Berges, relativiert sich die Geschwindigkeit wieder. Diese Distanzänderungen über großen Massen sind die Hauptmessgrößen für die Bestimmung des Erdschwerefeldes und werden mikrometergenau bestimmt. Zum Vergleich: Ein Haar ist in etwa 50 Mikrometer dick.

Monatliche Schwerekarte der Erde
Das alles geschieht bei einer Fluggeschwindigkeit von rund 30.000 km/h. So schaffen die beiden Satelliten 15 Erdumläufe am Tag, womit sie nach einem Monat eine komplette Abdeckung der Erdoberfläche erreichen. Das bedeutet wiederum, dass die TU Graz jeden Monat eine Schwerekarte der Erde liefern kann. „Die Prozessierung und der Rechenaufwand sind hier ziemlich groß. Wir haben alle fünf Sekunden eine Abstandsmessung und damit etwa eine halbe Million Messungen pro Monat. Daraus bestimmen wir dann Schwerefeldkarten.“, sagt Torsten Mayer-Gürr.

Masse minus Masse ergibt Masse
Mit der Schwerekarte ist die Menge des Grundwassers allerdings noch nicht ermittelt. Denn die Satelliten zeigen alle Massenänderungen an und machen keinen Unterschied zwischen Meer, Seen oder Grundwasser. Dafür braucht es die Kooperation mit allen anderen Partnern des EU-Projekts G3P. Torsten Mayer-Gürr und sein Team liefern die Gesamtmasse, davon werden dann die Massenänderungen in den Flüssen und den Seen abgezogen, die Bodenfeuchte, der Schnee und das Eis wird ebenfalls subtrahiert und letztendlich bleibt das Grundwasser übrig.

Für jede dieser anderen Massen gibt es eigene Expertinnen und Experten, die hier ihre Daten einbringen. Diese sitzen neben Österreich (TU Graz, TU Wien, Earth Observation Data Center EODC) in Deutschland (GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam), der Schweiz (Universität Bern, Universität Zürich), Frankreich (Collection Localisation Satellites CLS, Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales LEGOS, Magellium), Spanien (FutureWater), Finnland (Finnish Meteorological Institute) und in den Niederlanden (International Groundwater Resources Assessment Centre IGRAC).

Europa hat ein Wasserproblem
Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit zeigt, dass die Wassersituation in Europa mittlerweile sehr prekär geworden ist. Torsten Mayer-Gürr hatte dies in so einem Ausmaß nicht erwartet. „Ich hätte mir vor ein paar Jahren nicht gedacht, dass Wasser hier in Europa einmal ein Problem sein könnte, vor allem in Deutschland oder Österreich. Wir kriegen hier tatsächlich Probleme mit der Wasserversorgung, da müssen wir uns Gedanken machen“, erklärt er. Aus seiner Sicht ist es zunächst einmal notwendig, die sich fortsetzende Dürre auch mit Daten belegen zu können und fortlaufende Satellitenmission dazu im All zu haben.

Die europäische Weltraumagentur ESA und ihr US-Pendant NASA werden diese Forschungen mit dem Projekt MAGIC (Mass-change And Geoscience International Constellation) fortsetzen. Bei der Datenauswertung wird die TU Graz wieder mit an Bord sein.

Weitere Informationen zur Satellitengeodäsie im Artikel „Katze jagt Maus im All“:
https://www.tugraz.at/tu-graz/services/news-stories/tu-graz-screenshots/einzelansicht/article/katze-jagt-maus-im-weltall/

Informationen zum Projekt G3P:
https://www.g3p.eu/

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• Klimawandel

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Quelle: GFZ 24. Januar 2023.

24. Januar 2023 – Daten kommen aktuell insbesondere von den beiden GRACE-FO Satelliten, die in Kooperation mit der NASA betrieben werden. Für diese Satellitenmission wird NYA sogar als primäre Empfangsstation eingesetzt, was auch für die Nachfolgemission, die 2028 starten soll, geplant ist.

Als Teil der modularen Infrastruktur MESI des GFZ (Modular Earth Science Infrastructure) werden in Ny-Ålesund aber auch noch weitere Satelliten mit unterschiedlichen Kooperationspartnern empfangen. Bisher wurden an der Station dafür ausschließlich Frequenzen im S-Band (ca. 2.2-2.45 GHz) genutzt, die auch weiterhin bei vielen Satellitenmissionen für die Übertragung der an Bord der Satelliten gemessenen Daten zur Erde zum Einsatz kommen werden. Üblich sind dabei Datenraten von z.B. 3 Megabit pro Sekunde, wie bei den beiden GRACE-FO Satelliten. Die im S-Band verfügbaren Bandbreiten, und damit die möglichen maximalen Datenraten, sind allerdings begrenzt – bedingt durch eine globale Regulierung der Frequenz-Bandbreiten – und insbesondere für Satellitenprojekte mit höherem Datenaufkommen gegebenenfalls nicht ausreichend.

Um auch solche Satellitenprojekte unterstützen zu können, wurde eine der beiden Antennen an der Empfangsstation des GFZ für den Empfang von Satelliten im X-Band (ca. 7.9 – 8.4 GHz) aufgerüstet. Im X-Band stehen deutlich höhere Bandbreiten für Datenübertragungen zur Verfügung und der X-Band Empfang in Ny-Ålesund kann jetzt sogar simultan mit dem Empfang der gleichen Satelliten im S-Band erfolgen, was von vielen Satelliten unterstützt wird (z.B. TerraSAR-X und TanDEM-X des DLR). Außerdem kann neben der zumeist verwendeten RHC-Polarisation (right hand circular) auch die LHC-Polarisation (left hand circular) gewählt werden, und das in beiden Bändern unabhängig voneinander. Die Konstruktion und der Bau des für den Empfang notwendigen Konverters (setzt die X-Band Frequenzen auf niedrigere Frequenzen um) erfolgte durch das GFZ, ebenso wie die Integration und Steuerung aller anderen benötigten Systeme in Ny-Ålesund (Vorverstärker, Empfänger, Software usw.).

An der Empfangsstation konnte nun erstmals Ende November 2022, und seitdem beinahe täglich, im Rahmen eines Kooperationsvertrags mit der TU-Berlin, deren Mikrosatellit TUBIN (Masse nur 22,5 Kg) im X-Band empfangen werden. TUBIN wurde von wissenschaftlichen Mitarbeiter*innen und Studierenden an der TU-Berlin entwickelt und gebaut. Er trägt neben zwei Kameras für den Infrarot-Bereich, zur Detektion von größeren Wärmequellen, wie insbesondere Waldbränden, auch eine Kamera für Aufnahmen im sichtbaren Bereich. Die Datenrate für die Übertragung der von TUBIN aufgenommenen Bilder zur Empfangsstation beträgt 25 Megabit/Sekunde und ist damit rund achtmal so hoch wie bei GRACE-FO. Für die Empfangsstation wären sogar noch höhere Datenraten möglich. Der am GFZ gebaute Konverter ist sehr breitbandig ausgelegt und der eingesetzte Empfänger kann bis zu 500 Megabit/Sekunde empfangen.

Durch den regelmäßigen X-Band Empfang von TUBIN an der GFZ-Empfangsstation profitiert nicht nur das TUBIN-Projekt, sondern auch das GFZ, denn auf diese Weise können wertvolle Erfahrungen für den auf höheren Frequenzen technisch anspruchsvolleren Empfangsbetrieb gesammelt werden. In einem nächsten Schritt soll auch die zweite Antenne der Station für den Empfang im X-Band erweitert werden. Damit könnten dann nicht nur Satellitenprojekte mit höheren Datenraten im universitären Bereich unterstützt werden, sondern auch größere Projekte für die Redundanzen unabdingbar sind.

Übersichtsartikel zum Satellitenempfang in Ny-Alesund:
Falck, C., Reißland, S., Snopek, K., Massmann, F.-H. (2020): Satellite data reception at Ny-Ålesund, Spitsbergen: From CHAMP to GRACE Follow-On. – ZfV: Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, 145, 2, 111-117. https://geodaesie.info/images/zfv/145-jahrgang-2020/downloads/zfv_2020_2_Falck_et-al.pdf

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• Transporter-2 auf Falcon 9 (B1060.8)

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Quelle: TU Berlin.

1. April 2022 – Sprecher des Verbunds ist Prof. Dr. Frank Flechter, Leiter des Fachgebiets Physikalische Geodäsie an der TU Berlin und Leiter der Sektion “Globales Geomonitoring und Schwerefeld” am Helmholtz Zentrum Potsdam, GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum. Nerograv („New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions“) hat das Ziel, die Genauigkeit, Auflösung und Konsistenz von Satellitendaten zur Messung des Erdschwerefelds zu verbessern.

Bereits heute liefern die Satellitenmissionen Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment) und Grace-Follow On mit je zwei Satelliten Daten, die das Schwerefeld der Erde samt seiner zeitlichen Variationen beschreiben. Damit können beispielsweise Hydrologen auf großen Skalen quantifizieren, wieviel Grundwasser verloren geht, Glaziologen können das Abschmelzen der Eisschilde in Grönland und der Antarktis beobachten und Ozeanographen sind in der Lage, das Massen- und Temperaturbudget der Ozeane zu erfassen. Die Ergebnisse von Nerograv werden auch für die Planung von weiteren Weltraummissionen, den „Next Generation Gravity Missions“, von großer Bedeutung sein.

Weiterführende Informationen
Projekt „FOR 2736: New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions (NEROGRAV)„

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• Klimawandel

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Quelle: DLR.

17. März 2022 – Am 17. März 2002 starteten die Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ und mit ihnen die „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam.
Nach dem GRACE-Betriebsende im Jahr 2017 setzt die Folgemission „GRACE-Follow-On“ (FO) seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Überwachung der großen Veränderungen im „Ökosystem Erde“ erfolgreich fort. Die GRACE- und GRACE-FO-Daten sind heute eine der Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC).

Wenn wir Massen beobachten, wirken sie auf den ersten Blick starr und unbeweglich. Doch das täuscht, denn sie sind ständig in Bewegung: Im Erdinneren verschiebt sich flüssiges Gestein, Wasser verteilt sich in den Ozeanen und auf den Kontinenten in riesigen Mengen um und auch Luftmassen verwirbeln sich ständig. Diese ungleiche Verteilung führt jeweils dazu, dass sich die Erdanziehungskraft nicht gleichförmig über den Erdball verteilt. An Stellen mit mehr Masse ist das Gravitationsfeld geringfügig stärker als an anderen.

Seit dem Start der beiden GRACE-Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ und dem Beginn der GRACE-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam am 17. März 2002 und der Nachfolgemission GRACE-FO erfassen die Satellitenduos diese langsamen Bewegungen ganz genau. „Mit den GRACE-Satelliten können wir erstmalig die Massentransporte im System Erde global erheben. Die Missionen GRACE und GRACE-FO haben jede kleine Veränderung in diesen Masseströmen so präzise erfasst, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Durch diese Messungen können wir vor allem die Folgen des Klimawandels besser verstehen, weil sich zum Beispiel das Schmelzen der Eismassen, die Veränderungen des Meeres- sowie des Grundwasserspiegels exakter bestimmen lassen“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn.

4,7 Billionen Tonnen Eis in Grönland geschmolzen
Das Grönlandeis schmilzt – und zwar viel schneller als gedacht. Pro Jahr verliert dieses Eisschild 277 Gigatonnen an Masse. Eine Gigatonne entspricht einem Würfel von einem Kilometer Kantenlänge. „In den letzten zwanzig Jahren hat die grönländische Eisdecke rund 4,7 Billionen Tonnen Eis verloren. Dänische Forscher haben diese Erkenntnisse anhand der langen GRACE-Datenreihen gewonnen, die auch regelmäßig in die Berichte des Weltklimarates IPCC einfließen. Im letzten Bericht ist GRACE die am dritt-häufigsten zitierte Satellitenmission. Das unterstreicht die Bedeutung, die diese Mission für die Klimaforschung hat“, betont Walther Pelzer. Doch nicht nur die Eisschmelze ist ein wichtiger Klimaindikator.

Mehrmonatige Trockenperioden im Amazonas und drastische Abnahmen des Grundwasserspiegels im Norden Indiens konnten mit den GRACE-Daten ebenso zuverlässig beobachtet werden wie der Anstieg des Meeresspiegels über zwei Jahrzehnte. Außerdem ist aus den GRACE-Daten die sogenannte „Potsdamer Schwerekartoffel“ entstanden. Dieser „Gravitationsglobus“ zeigt, dass das Schwerefeld der Erde nicht gleichmäßig verteilt ist. Dank dieses dreidimensionalen Geoids werden die Abweichungen der Erdgestalt deutlich sichtbar. Besonders stark ist der Einfluss der Schwerkraft demnach über dem Himalaja und dem Nordatlantik, dagegen eher schwach über dem Indischen Ozean und den Kleinen Antillen.

Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie genau messen diese Satelliten eigentlich die Massentransporte? Der Clou ist, dass Massen bei GRACE und GRACE-FO alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung erfasst werden. Die beiden Satelliten flogen beziehungsweise fliegen jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanz und Geschwindigkeit der beiden Satelliten werden dabei mithilfe von Mikrowellen und einem Laser ständig ganz exakt gemessen. Die Genauigkeit von ein bis zwei Mikrometern entspricht dabei etwa einem Hundertstel der Dicke eines Blattes Druckerpapier. „Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – üben mit ihren Massen eine Gewichtskraft aus. Ist sie stärker, wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch wird er schneller und entfernt sich vom anderen Satelliten.

Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Geringere Massen beschleunigen den voranfliegenden Satelliten weniger und bewirken wieder eine Annäherung. Im übertragenen Sinne können wir mit den Satelliten wiegen, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat abnehmen oder zunehmen“, erklärt Peter Schaadt, GRACE-FO-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht im All, sondern anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden, wobei die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt werden.

„Tom“ und „Jerry“ in sicheren Händen des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums
Nach dem Start der beiden GRACE-Satelliten am 17. März 2002 wurden „Tom“ und „Jerry“ in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Schon etwa 70 Sekunden später fand die erste Kontaktaufnahme mit der DLR-Bodenstation in Weilheim statt. Die ersten Daten der Satelliten wurden über ein Kommunikationsnetzwerk direkt und ohne Verzögerung zum Raumfahrt-Kontrollzentrum des DLR in Oberpfaffenhofen bei München geschickt. Dort begann dann die „Akquisitionsphase“ der Satelliten.

Diese erste frühe Phase nach dem Start übernahm das Kontrollzentrum auch 2018 bei der Folgemission GRACE-FO, wie Sebastian Löw, Projektleiter des GRACE-FO Bodensegments vom DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining, erzählt: „Wir haben die Bahnparameter bestimmt, den Zustand von GRACE analysiert, die Funktionsbereitschaft aller Systeme getestet sowie deren Konfiguration für ihre eigentlichen wissenschaftlichen Aufgaben. In der Akquisitionsphase haben wir außerdem die autonomen Bordsysteme zur Positions- und Lagebestimmung sowie die bordeigenen Sternsensoren und das Lageregelungssystem in Betrieb genommen.“ Die Betriebsaufgaben waren für beide Missionen, GRACE und GRACE-FO, identisch.

In den ersten beiden Wochen nach den Starts befahl das Betriebsteam dann jeweils mehrere Bahnmanöver, um den relativen Abstand der Satelliten auf 220 Kilometer einzustellen. Die Kontrolle dieses Formationsfluges erfordert regelmäßige Korrekturmanöver in Intervallen von einigen Wochen. Dafür und zur Satellitenkontrolle während der Mission werden die beiden Antennen der DLR-Bodenstation Weilheim genutzt – unterstützt in den ersten 30 Tagen vom Polar-Netzwerk der NASA. Nach einer zweiwöchigen Testphase lag dann die Kontrolle und der Betrieb der beiden GRACE Satelliten in der Hand des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums. Alle empfangenen Daten wurden im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Neustrelitz weiterverarbeitet, archiviert und an die wissenschaftlichen Auswertezentren verteilt.

20 Jahre erfolgreiche Deutsch-Amerikanische Kooperation – ein Erfolgsmodell für die Zukunft
Die Bedeutung der Klimazeitreihenmessungen von GRACE und GRACE-FO für die Klimaforschung ist essenziell. Deshalb arbeiten NASA, das DLR und das GFZ gemeinsam mit Max-Planck-Instituten an der Vorbereitung einer nächsten Mission, die die Beobachtungen im Anschluss an GRACE-FO fortsetzen soll. „Die Kooperation mit der NASA in der Erdbeobachtung ist ein großartiges Zeichen für die gemeinsamen Ziele, die die USA und Deutschland in der Klimapolitik verfolgen wollen“, unterstreicht DLR-Vorstandsmitglied Walther Pelzer. „Die Beauftragung des Satellitenbaus durch die NASA ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit der deutschen Raumfahrtindustrie.“

GRACE und GRACE-FO – zwei erfolgreiche Missionen
GRACE war eine gemeinsame Mission der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant dauerte. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die „University of Texas“ und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde finanziert vom DLR, der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ. Das JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger für die Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen.

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• DLR

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Mitte Juni 2018 hieß es „First Light!“ für ein neuartiges Laserinstrument in der Erdumlaufbahn. Das Laser Ranging Interferometer auf beiden Satelliten der deutsch-amerikanischen Geodäsie-Mission GRACE Follow-On wurde erstmals eingeschaltet. Gleich auf Anhieb konnten sich die 200 Kilometer entfernten Instrumente 490 Kilometer über dem Erdboden finden. Seitdem läuft das System zuverlässig und liefert hochpräzise Abstandsdaten im regulären Messbetrieb. Nun ziehen Forschende am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und an der Leibniz Universität Hannover eine positive Bilanz der ersten drei Jahre und werfen einen Blick in die Zukunft.

First Light am 14. Juni 2018
Mit großer Spannung erwarteten die Forschenden vor drei Jahren, am 14. Juni 2018, das Einschalten ihres Instruments auf den GRACE-Follow-On-Satelliten, die nach einem Bilderbuchstart seit Mitte Mai 2018 die Erde hintereinander auf einer Bahn über die Pole umrunden. An den beiden Satelliten befinden sich münzgroße Löcher, eines zum Senden und eines zum Empfangen eines Laserstrahls. Eine Herausforderung lag darin den Laserstrahl durch diese Löcher über eine Distanz von etwa 200 Kilometern hin- und herzuschicken während die Satelliten mit rund 27.000 Kilometer pro Stunde um die Erde rasen. Das Kunststück gelang: Das Laser-Interferometer konnte praktisch unmittelbar nach dem Einschalten die wissenschaftliche Datenaufnahme beginnen. Seitdem wurden an etwa 870 Tagen Messdaten aufgezeichnet, wann immer die Satelliten und die anderen Instrumente dies erlaubten.

Mit dem Laserlicht werden Änderungen des 200 Kilometer Abstands zwischen den Satelliten auf rund einen Atomdurchmesser genau vermessen. Das ist rund 5000-mal präziser als die parallel eingesetzte etablierte Mikrowellen-Technik und auch 400-mal präziser als in der Missionsanforderung des Laserinterferometers spezifiziert. Aus den Messungen der Abstandsänderung lässt sich das Erdschwerefeld und dessen zeitliche Veränderungen ableiten. So lassen sich Indikatoren des Klimawandels wie abschmelzende Eismassen, sinkende Grundwasserspiegel und der steigende Meeresspiegel aus der Erdumlaufbahn überwachen.

Ein zuverlässiges und hochpräzises Messinstrument
Obwohl das Laser Ranging Interferometer nur als Technologiedemonstration mit einer minimal erforderlichen Laufzeit von drei Monaten angelegt war, sind auch nach drei Jahren keine Verringerung der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des Instruments und seiner Komponenten festzustellen. Das Interferometer sollte daher auch weitere Jahre wertvolle Messdaten liefern.

„Wir wissen nun, dass Laserinterferometer im All zwischen Satelliten über Jahre hinweg hochpräzise und sehr zuverlässig betrieben werden können“, sagt Gerhard Heinzel, Leiter der Arbeitsgruppe „Weltrauminterferometrie“ am AEI und Manager der deutschen Beiträge zum Laser Ranging Interferometer. „Besonders beeindruckend ist, dass wir mehr als 100 Tage dauernde Mess-Segmente von über 1500 Erdumläufen haben, in denen die Satelliten 60 Millionen Kilometer zurückgelegt haben, während denen die Laserverbindung nicht einmal unterbrochen wurde. Auch für LISA, das geplante Gravitationswellen-Observatorium im All ist dies ein wichtiges Ergebnis, denn wir haben für GRACE Follow-On LISA-Technologie eingesetzt. Sie funktioniert einwandfrei und dauerhaft.“

LISA ist eine geplante Satellitenmission unter Führung der ESA mit NASA-Beiträgen, die ab 2032 ins All starten könnte und dort vom Erdboden aus nicht nachweisbare niederfrequente Gravitationswellen messen würde. LISA wird dafür wie GRACE Follow-On laserbasierte Abstandmessungen zwischen Satelliten – allerdings über deutlich größere Entfernungen von 2,5 Millionen Kilometer – verwenden.

Neue Möglichkeiten zur Satellitendiagnostik
Aufgrund der enormen Empfindlichkeitssteigerung bei den Messungen der Abstandsänderungen durch das Laserinterferometer ergeben sich zudem ganz neue Möglichkeiten, das Verhalten des Satellitentandems besser zu verstehen. Bestimmte bisher rätselhafte kurze Ereignisse, die die Beschleunigungssensoren der Satelliten registrieren, lassen sich mit Hilfe der Daten des Laserinstruments durch Treffer von Mikrometeoriten von der Größe eines Staubkorns erklären. Auch können die Effekte von Schubdüsen zur Lageregelung der Satelliten aus den Abstandsdaten extrahiert werden.

Verbesserte Messungen des Erdschwerefelds
Welches Potenzial in den Messungen des Laserinstruments steckt, wird bei gleichzeitiger Anpassung der Analyse-Methoden mit zunehmender Messdauer sichtbar. Die höhere Auflösung der laserbasierten Abstandsmessungen sorgt für genauere Karten des statischen Schwerefelds der Erde. Sie bildet aber auch kurzfristige zeitliche Änderungen ab, die in den bisher monatlich veröffentlichten Schwerefeldkarten fehlten. Forschende vom AEI Hannover, der Leibniz Universität Hannover und vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam werden in den nächsten Jahren gemeinsam die optimale Auswertungsstrategie der Messdaten des Laserinstruments untersuchen.

Der Blick in die Zukunft
„Wir haben nach drei Jahren Messbetrieb konkrete Ideen dafür, wie wir die nächsten Geodäsie-Mission in der Erdumlaufbahn noch einmal verbessern können“, sagt Vitali Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe „Weltrauminterferometrie“ am AEI. „Zukünftige Erderkundungsmissionen könnten dann nur noch ein Laserinstrument wie das Laser Ranging Interferometer zur Abstandsmessung verwenden.“

„Nach dem großen Erfolg von LISA Pathfinder zeigt uns GRACE-Follow-On nun, dass ein weiterer Baustein – die Laserverbindung zwischen weit voneinander entfernten Satelliten – bereit für die LISA-Mission ist“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover. „Wir freuen uns, dass die Europäische Weltraumorganisation ESA die Entwicklung von bis zu zwei ähnlichen Missionen zur Messung des Erdschwerefelds und die dazugehörige Laser-Interferometrie vorantreibt. Mehrere gleichzeitig betriebene Satellitenpaare würden die Qualität der Erdschwerefeld-Karten erheblich verbessern.“

Wie beobachtet GRACE Follow-On Eis und Wasser auf der Erde?
Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfläche. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometern in einer 90-Minuten-Bahn, die sie über die Pole der Erde führt. Der Abstand zwischen den Satelliten verändert sich aufgrund der Erdabplattung um einige Hundert Meter während jeden Umlaufs. Darüber hinaus gibt es weitaus kleinere Änderungen im Bereich von Mikrometern und Nanometern, verursacht durch die lokale Feinstruktur des irdischen Schwerefelds, die beispielsweise von Gebirgszügen, Eismassen und Grundwasserpegeln stammt.

Indem sie diese winzigen Veränderungen über Monate verfolgen, können die Forschenden das Abschmelzen von Eismassen in Grönland und der Antarktis, steigende Meeresspiegel, veränderte Grundwasserspiegel, Dürren und Überflutungen genau nachweisen und das Geoid definieren, das Grundlage globaler Höhenmessungen ist. Die neuartige Laser-Ranging-Interferometer-Technologie an Bord von GRACE Follow-On wird die Genauigkeit zukünftiger ähnlicher Missionen signifikant erhöhen und dadurch detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Veränderungen mit der Zeit ermöglichen.

Warum ist GRACE Follow-On ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA?
Das Laser Ranging Interferometer von GRACE Follow-On ist das zweite Laserinterferometer im All mit wichtigen Beitragen aus dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover. Das erste derartige Instrument war das 40 Zentimeter messende Interferometer der LISA-Pathfinder-Mission, das Schlüsseltechnologien für LISA, testete.

Nach dem geplanten Start wird die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ganz ähnliche Technologie wie GRACE Follow-On verwenden, um winzige Längenänderungen, diesmal aber über eine Entfernung von 2,5 Millionen Kilometer zu messen. Auf diese Weise wird LISA niederfrequente Gravitationswellen von Millionen Doppelsternsystemen in unserer Milchstraße, verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern im gesamten Universum und anderen exotischen Objekten nachweisen.

Wer ist an GRACE Follow-On beteiligt?
GRACE Follow-On ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und deutscher Partner unter Federführung des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. Es ist der verbesserte Nachfolger der erfolgreichen GRACE-Mission, die von 2002 bis 2017 im Betrieb war. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 03F0654B gefördert.

Wer ist am Laser Ranging Interferometer beteiligt?
Das LRI ist eine Kooperation zwischen NASA und deutschen Partnern, unter Federführung des AEI in Hannover auf deutscher Seite. Das LRI-Konzept, seine Prototypen und die technischen Spezifikationen kommen vom AEI, dessen Forscher*innen intensiv an der Entwicklung und den Tests der Flughardware beteiligt waren. Die Entwicklung des LRI beruht auf der langjährigen Partnerschaft des AEI mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA. Da sich das Lasersystem bewährt hat, können zukünftige ähnliche Missionen routinemäßig Laser- anstelle der Mikrowelleninterferometer verwenden.

Die deutschen Beiträge zum LRI umfassen das gesamte optische System, bestehend aus einem Umlenkspiegel, gefertigt von Hensoldt (ehemals Zeiss) in Oberkochen, der optischen Bank von SpaceTech GmbH in Immenstaad, welche auf Industrieseite den gesamten deutschen LRI-Beitrag verantwortet, Optoelektronik vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Berlin-Adlershof sowie elektronischen Baugruppen von Apcon AeroSpace & Defence in Neubiberg bei München. Das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen hat Instrumente zur Kalibrierung und für Tests entwickelt und geliefert. Gebaut wurden die beiden Satelliten im Auftrag der NASA bei Airbus Defence & Space in Immenstaad. Die Satelliten werden vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen bei München unter Auftrag des GFZ gesteuert.

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Quelle: GFZ.

Die im Mai 2018 gestarteten GRACE-FO-Satelliten (Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On) sind in der Lage, das Defizit der in Mitteleuropa gespeicherten Wassermassen während der Sommerdürren in 2018 und 2019 zu quantifizieren. Bezogen auf die langfristige mittlere Klimavariabilität betrugen die Wassermassendefizite 112 Gigatonnen im Jahr 2018 und sogar 145 Gigatonnen im Jahr 2019. Das berichtet ein Forschungsteam vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der Universität Potsdam um Eva Börgens.

Die Defizite 2018 und 2019 liegen damit bei 73 Prozent und 94 Prozent der mittleren Schwankung der saisonalen Wasserspeicherung. Anders ausgedrückt: Man bräuchte, verglichen mit dem Durchschnittswert in etwa die doppelte Wasserzunahme über den Winter, um dieses Defizit auszugleichen. Die Veränderungen seien so gravierend, dass eine Erholung innerhalb eines Jahres nicht zu erwarten sei. Die Wasserknappheit in den Jahren 2018 und 2019 sei damit die größte in der gesamten GRACE- und GRACE-FO-Messkampagne von fast 20 Jahren. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Geophysical Research Letters veröffentlicht.

Das GRACE-FO-Satellitenpaar erfasst die Bewegung des Wassers auf der Erde auf der Grundlage von dadurch ausgelösten Variationen des Erdschwerefeldes. Diese Variationen lassen sich aus einer hochpräzisen Abstandsmessung mithilfe von Mikrowellensignalen ermitteln, die die beiden hintereinander fliegenden Satelliten aussenden. GRACE-FO ist das Nachfolgeprojekt von GRACE. Die beiden GRACE-Satelliten hatten ihre Mission 2017 nach 15 Jahren Betrieb beendet.

Insgesamt zeigen die Daten keinen Versatz zwischen den beiden Missionen, was die erfolgreiche Fortführung von GRACE durch GRACE-FO und damit die Zuverlässigkeit der Beobachtung der Extremereignisse in Mitteleuropa bestätigt. Dies erlaubt laut der Forschenden eine gemeinsame Bewertung der vier mitteleuropäischen Dürreperioden in den Jahren 2003, 2015, 2018 und 2019: Im Vergleich zu 2003 und 2015 waren 2018 und 2019 deutlich trockener. 2019 war der Wassermangel so groß, dass eine Erholung der Wasservorräte innerhalb eines Jahres nicht zu erwarten ist, zumal der Winter 2019/2020 nur eine sehr leichte Erholung brachte.

Um einen Vergleich zwischen GRACE und GRACE-FO Dürrebeobachtungen und anderen Teilen des Wasserhaushaltes, wie Bodenfeuchte oder Oberflächengewässer, ziehen zu können, wurden die Daten in Dürreindizes umgewandelt. Im Gegensatz zu anderen Datenquellen erlauben die Daten von GRACE-FO und GRACE die Erfassung der gesamten Wasserspeicherung in Seen, Flüssen, Böden und Grundwasser. Messungen an Oberflächengewässer wie dem Bodensee können hingegen stark von lokalen oder regionalen Einflüssen beeinflusst werden.

„Die Studie zeigt, wie wichtig die lange Zeitreihe der Beobachtungen der GRACE- beziehungsweise GRACE-FO-Mission ist, um aktuelle klimatische Ereignisse einordnen zu können“, sagt Studienleiterin Eva Börgens. „Ob die Dürrejahre 2015, 2018 und 2019 erste Anzeichen eines längerfristigen Wandels in Mitteleuropa sind oder nur statistische Ausreißer wird man erst in der Zukunft sagen können. Allerdings lassen erste Daten aus 2020 eine weiter andauernde Trockenheit erwarten.“

Originalstudie
Boergens, E., Güntner, A., Dobslaw, H., Dahle, C., 2020. Quantifying the Central European Droughts in 2018 and 2019 with GRACE-Follow-On. Geophysical Research Letters. DOI: 10.1029/2020GL087285

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Astrium, NASA, SpaceTech GmbH.

In Grace-FO steht FO für Follow On, auf Deutsch Nachfolger. Der Namensbestandteil Grace ist die Abkürzung für Gravity Recovery and Climate Experiment und beschriebt die Aufgaben der Raumfahrzeuge. Sie dienen der Bestimmung der zeitlichen Veränderung des Schwerefeldes Erde, an Hand derer man Erkenntnisse über dynamische Vorgänge im Inneren der Erde, über Strömungen in den Tiefen der Ozeane und an ihren Oberflächen sowie die Veränderung der Eisbedeckung von Arktis und Antarktis und in Gebirgen gewinnen kann.

Mit dem ersten Satellitenpaar war es Wissenschaftlern zum ersten Mal überhaupt möglich, die Masse des Wassers, von Eis und von beweglichem soliden Material auf der Oberfläche der Erde zu bestimmen. Die beiden zu Grace gehörenden, auch bei Astrium gebauten Satelliten befinden sich seit dem 17. März 2002 im All. Sie haben ihre Auslegungsbetriebsdauer bereits deutlich überschritten. Die Raumfahrzeuge für Grace-FO sollen ab August 2017 im Weltraum arbeiten und ihren Aufgaben mindestens fünf Jahre lang nachkommen.

Die beiden neuen, voraussichtlich etwa 580 kg schweren Satelliten mit den Abmessungen von rund 3 x 2 x 0,8 m sollen auf polaren Umlaufbahnen in circa 500 km über der Erdoberfläche zum Einsatz kommen. Dort werden sie laut Plan in rund 220 km Abstand hintereinander her fliegen und dabei fortlaufend geringste Veränderungen der Entfernung zwischen ihnen aufzeichnen. Die Veränderungen sind Ergebnis des variierenden Schwerefeldes der Erde, dessen Schwankungen auf diese Weise kontinuierlich bestimmt werden können. Ein vollständiges Modell des Schwerefeldes für die gesamte Erdoberfläche wird nach jeweils 30 aufeinander folgenden Messtagen vorliegen.

Von Grace-FO erwartet man besonders genaue Daten. GPS-Empfänger an Bord der Satelliten können minütlich Updates der Positionsdaten besorgen, und eine Mikrowellenverbindung zwischen den beiden Satelliten erlaubt eine Bestimmung der Entfernung zwischen den Satelliten mit einer Genauigkeit von einigen tausendstel Millimetern.

Eine zusätzliche Neuigkeit stellt das dann zwischen Satelliten im Weltraum betriebene Laserinterferometer (Laser Ranging Instrument, LRI) dar. Im Gegensatz zu den Vorgängermodellen wird es bei Grace-FO möglich sein, den Abstand von Satellit zu Satellit zusätzlich mit Laserlicht zu bestimmen. Die dabei erzielbare Genauigkeit liegt voraussichtlich im Bereich einiger Nanometer. Den Bau des experimentellen Instruments zur Laserabstandsmessung übernimmt das Labor für Strahlantrieb (JPL, Jet Propulsion Lab) der NASA zusammen mit dem US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtkonzern Ball Aerospace. Entwicklungsarbeiten zum Entwurf des optischen Systems erledigen das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und die SpaceTech GmbH, Immenstaad. Die eigentlichen Laser des deutschen Entwurfs steuert Tesat-Spacecom bei.

Neben den technischen Einrichtungen zur Gewinnung der Daten zum Schwerefeld der Erde will man Grace-FO auch mit Instrumenten zur Aufzeichnung von Temperaturprofilen und dem Gehalt an Wasserdampf in Atmosphäre und Ionosphäre ausstatten.

Die Vereinbarung mit NASAs JPL über den Bau von Grace-FO wurde nach Angaben von Astrium am 29. November 2012 in Friedrichshafen unterzeichnet.

Datenblatt der SpaceTech GmbH zum Laser Ranging Instrument:

• LRI Datasheet (PDF)

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