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 11. Mai 2024.

11. Mai 2024 – Der Vergleich mit geologischen Karten, Informationen zu Grundwasserspeichern und Daten der GRACE-Satellitenmission zeigt einen besorgniserregenden Trend: In zahlreichen iranischen Provinzen wächst das Risiko einer irreversiblen Erschöpfung und Schädigung der Grundwasserreservoirs, wobei einige Reservoirs möglicherweise dauerhaft verloren gehen.
Insbesondere in der südostiranischen Provinz Kerman kommt es zu dramatischen Absenkungsraten. „Der Bezirk Rafsanjan in der Provinz Kerman ist Irans Zentrum der Pistazienproduktion, und wir haben dort alarmierende Senkungsraten gemessen, die an einigen Standorten 35 Zentimeter pro Jahr übersteigen“, sagt Mahdi Motagh. Er ist Arbeitsgruppenleiter in der GFZ-Sektion „Fernerkundung und Geoinformatik“ und Professor am Institut für Photogrammetrie und GeoInformation an der Leibniz-Universität Hannover, wo Hauptautor Dr. Mahmud Haghshenas Haghighi Wissenschaftlicher Mitarbeiter ist. Sie nutzten Radar-Interferometrie (Engl. “Interferometric Synthetic Aperture Radar”| InSAR), um die Bodenabsenkungen zu messen. „Anhand von mehr als 6.000 Sentinel-1-Bildern aus dem Zeitraum zwischen 2014 und 2020 haben wir eine Karte der Landabsenkung mit einer bislang einzigartigen Auflösung von 100 Metern für ganz Iran erstellt“, sagt Motagh.

In dem Land mit rund 84 Millionen Menschen zeichnet sich seit Jahren eine Grundwasserkrise ab. Durch die Kombination von Satellitendaten mit verschiedenen geologischen Beobachtungen und hydrogeologischen Messungen wurde für Iran ein nicht nachhaltiger jährlicher Grundwasserverlust von 1,7 Milliarden Kubikmetern (BCM) ermittelt. Das Ausmaß dieses Verlustes stellt eine große Herausforderung dar, da die Wiederauffüllung solcher Grundwasservolumina Hunderte oder sogar Tausende von Jahren dauern könnte, wenn sie überhaupt möglich ist.

Den Autoren zufolge ist der Hauptgrund für diesen enormen Verlust an Grundwasser die nicht nachhaltige Bewässerungslandwirtschaft, die durch das Bevölkerungswachstum und die Industrialisierung des Iran noch verstärkt wird. Mahdi Motagh sagt: „Die nicht-nachhaltige Entnahme von Grundwasser ist leider alltägliche Praxis geworden.“

Landabsenkungen, die ein sichtbares Zeichen für die Verdichtung der Grundwasserleiter sind, treten im ganzen Land auf. Etwa 3,5 Prozent der iranischen Landfläche sind von diesem Problem betroffen, das Millionen von Menschen und wichtige Infrastrukturen wie Flughäfen und Eisenbahnen in Mitleidenschaft zieht. In Provinzen wie Teheran, Isfahan, Kerman und Khorasan Razavi wohnt mehr als ein Viertel der Bevölkerung in Gebieten, die in unterschiedlichem Maße von Bodensenkungen bedroht sind. „Die in Provinzen wie Kerman, Teheran, Alborz, Fars und Khorasan Razavi gemessenen Absenkungsraten von mehreren zehn Zentimetern pro Jahr gehören zu den höchsten der Welt“, sagt Mahmud Haghshenas Haghighi.

Die beiden Autoren betonen: „Diese umfassende Analyse unterstreicht den dringenden Bedarf an sofortigen Maßnahmen und der Umsetzung einer kohärenten Grundwasserpolitik. Eine solche Politik ist für die Bewältigung der iranischen Grundwasserkrise und die Bekämpfung des Wasserdefizits von entscheidender Bedeutung.“

Originalpublikation:
Mahmud Haghshenas Haghighi, Mahdi Motagh, Uncovering the impacts of depleting aquifers: A remote sensing analysis of land subsidence in Iran.Sci. Adv.10, eadk3039(2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk3039
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3039

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• GRACE-C

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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 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

Der Beitrag Nerograv: Klimawandel vom Weltraum aus beobachten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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: TU Dresden.

16. März 2022 – Aus kleinen Veränderungen der Erdanziehungskraft ermitteln Wissenschaftler der TU Dresden Massenänderungen der Eisschilde in Grönland und Antarktika. Datenreihen dieser Eismassenänderungen stellt das Institut für Planetare Geodäsie der TU Dresden auch im Auftrag der Europäischen Weltraumagentur ESA bereit.

“GRACE” steht für „Gravity Recovery and Climate Experiment“. Die GRACE-Mission endete 2017 und wird seit 2018 durch die Mission „GRACE Follow-On“ fortgesetzt. GRACE und GRACE Follow-On funktionieren nach demselben Prinzip: Zwillingssatelliten folgen einander in ihrer Umlaufbahn in einem Abstand von etwa 200 km. Die Schwankungen dieses Abstandes werden gemessen, und zwar auf einen Tausendstel Millimeter genau. Da die Schwankungen dieses Abstands durch die Unregelmäßigkeiten der Erdanziehungskraft hervorgerufen werden, kann diese bis in die kleinsten Feinheiten bestimmt werden. Die unmittelbaren Messungen, sozusagen die Rohdaten, bearbeiten u.a. die Kolleg*innen am Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum und liefern damit die Ausgangsdaten für die Analysen der Dresdener Geodäten.

Von 2002 bis 2021 hat der Grönländische Eisschild rund 5000 Milliarden Tonnen Masse verloren, der Antarktische Eisschild rund 1800 Milliarden Tonnen. Eine Milliarde Tonnen entspricht der Masse eines Kubikkilometers Wasser. Das Schmelzwasser vermehrt die Wassermassen des Ozeans und sorgt für rund ein Viertel des globalen Meeresspiegelanstiegs.

Martin Horwath, Professor für Geodätische Erdsystemforschung, erklärt: „Messen liefert Fakten. Die Bestimmung von Eismassenänderungen mit Hilfe der Gravitationskraft ist ein einzigartiges Verfahren, weil uns dabei eigentlich keine Änderungen entgehen können. In Verbindung mit weiteren Satellitenmethoden, z.B. der Vermessung von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten, liefert diese Methode ein detailliertes Bild gegenwärtiger Änderungen der Eisschilde.“

„Die Abnahme von Eis auf den Kontinenten führt zur Zunahme der Wassermassen der Ozeane. Und auch diese können wir mit Hilfe ihrer Gravitationswirkung messen.“

„In den resultierenden Datenreihen stecken viele Jahre Entwicklungen der Auswertemethodik. Und die Ergebnisse sind auf unserem Datenportal frei zugänglich, für Schüler*innen ebenso wir für Klimaforscher*innen.“

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

Der Beitrag Anziehungskraft des Eises: Seit 20 Jahren von Satelliten gemessen und in Dresden ausgewertet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: HafenCity Universität Hamburg.

1. März 2022 – Die langfristige Vision von „TerraQ“ ist die Entwicklung innovativer geodätischer Messkonzepte auf der Grundlage der Quantenphysik und der allgemeinen Relativitätstheorie, die einzigartige Perspektiven für die Satellitengeodäsie und die gravimetrische Erdbeobachtung eröffnet.

„TerraQ“ zeichnet sich durch die interdisziplinäre Arbeit von Geodät:innen und Quantenphysiker:innen aus und vereint Fachwissen aus den Ingenieurwissenschaften mit physikalischer Grundlagenforschung. Die neu entwickelten Messverfahren werden die Beobachtung klimabedingter Änderungen der Wasserverteilung mit verbesserter räumlicher und zeitlicher Genauigkeit ermöglichen und damit einen wichtigen Beitrag zur Erforschung des Klimawandels leisten.

Leibniz-Universität Hannover leitet Forschungsprojekt
Der Sonderforschungsbereich wird an der Leibniz-Universität Hannover federführend geleitet. Beteiligt sind neben der HCU das Deutsche GeoForschungszentrum (GFZ) Potsdam, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und die TU Graz.

Was ist ein Sonderforschungsbereich?
Die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Sonderforschungsbereiche (SFB) sind langfristig angelegte Forschungsverbünde von Hochschulen, in denen Wissenschaftler:innen im Rahmen eines fächerübergreifenden Forschungsprogramms zusammenarbeiten.

HCU-Teilprojekt im Rahmen des Sonderforschungsbereichs
Das SFB-Teilprojekt „C05 – Modellierung von Massenvariationen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung“ ist eine Kooperation von HCU, Leibniz-Universität Hannover und GFZ Potsdam und wird an der HCU von Prof. Dr.-Ing. Annette Eicker (Geodäsie und Ausgleichungsrechnung) und Viviana Wöhnke betreut. Beobachtungen der zeitlichen Variationen des Erdschwerefeldes mittels Satellitengravimetrie, terrestrischer Gravimetrie und durch GNSS-Stationsbewegungen erlauben einen Einblick in die regionalen Variationen und Veränderungen von Wasserspeichern auf jeweils unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen.

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Schwerefeldmodellen mit größtmöglicher räumlicher und zeitlicher Auflösung durch die Kombination der verschiedenen Beobachtungsverfahren. Aufgrund der unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Sensitivität der Messsysteme stellt eine solche Datenkombination eine der großen Herausforderungen der Geodäsie dar.

Herausforderung: „Kombination von Satellitendaten und bodengestützten Messungen“
Prof. Dr.-Ing. Annette Eicker: „Es ist eine spannende Erfahrung, die technische Entwicklung der Instrumente so hautnah mitzubekommen und deren Daten direkt in geowissenschaftlichen Anwendungen zu testen. Insbesondere die Kombination der Satellitendaten der Mission „GRACE“ mit den bodengestützten Messnetzen ganz neu entwickelter Quantengravimeter wird eine interessante Herausforderung unseres Projektes.“

HCU-Doktorandin Viviana Wöhnke erforscht Teilprojekt in ihrer Promotion
Viviana Wöhnke ist seit Herbst 2021 Doktorandin im Teilprojekt an der HCU. Durch ihre Arbeit als studentische Hilfskraft und die thematische Nähe ihrer Masterarbeit zum Projekt, hat sie von Anfang an viel Vorwissen in das Projekt einbringen können. In ihrer Promotion geht es um die Kombination von Satellitengravimetrie (GRACE), terrestrischer Gravimetrie und GNSS-Beobachtungen zur Bestimmung von regional hochaufgelösten Wasserspeicheränderungen.

Viviana Wöhnke: „Neben der Datenanalyse und Programmierung gefällt mir insbesondere auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Wissenschaftler:innen aus verschiedenen Forschungsbereichen wie der Hydrologie und Geophysik. Dadurch findet die Arbeit nicht nur am eigenen Schreibtisch statt, sondern es ergeben sich durch das breitgefächerte Forschungsprojekt viele weitere spannende Einblicke.“

Der Beitrag HCU: Mit geodätischen Messformen Änderungen im Wasserkreislauf der Erde erforschen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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: DLR, NASA.

Während eines bilateralen Treffens auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin unterzeichneten der Vorstandsvorsitzende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), Prof. Johann-Dietrich Wörner und die stellvertretende NASA-Adminisratorin Lori Garver am 10. Juni 2010 eine Vereinbarung, der zufolge die Mission der beiden Grace-Erdbeobachtungssatelliten solange fortgesetzt werden soll, bis diese das Ende ihrer Nutzbarkeit erreicht haben. Derzeit wird erwartet, dass die Satelliten bis ins Jahr 2015 sinnvoll eingesetzt werden können. DLR und NASA begannen ihre Zusammenarbeit beim Gravity Recovery And Climate Experiment offiziell im Jahr 1998. Ursprünglich war eine Missionsdauer von zunächst 5 Jahren geplant.

Die am 17. März 2002 ins All transportierten Raumfahrzeuge erfassen Änderungen des Schwerefelds der Erde im Minutenabstand. Dazu wird der Abstand zwischen den beiden Satelliten via Mikrowellen-Funkstrecke mit einer Genauigkeit, die einem Hundertstel der Breite eines Menschenhaares entspricht, gemessen. Der Abstand der zwischen 450 und 500 Kilometern über der Erde kreisenden Trabanten liegt bei etwa 200 Kilometern und ändert sich aufgrund der Einwirkung einer variierenden von der Erde ausgehenden Schwerkraft. Die entsprechenden Variationen können Folge lokaler Klimaveränderungen, Auswirkungen des Wettergeschehens und Ergebnis jahreszeitlicher Veränderungen sein.

Die Raumfahrzeuge reagieren auf Änderungen der Masseverteilung auf der Erde, beispielsweise auf steigende Wasserstände oder zurückgehende Eisdicken. Um diese Reaktionen festzuhalten, sind sie zusätzlich mit hochgenauen Beschleunigungsmessern und präzisen GPS-Empfängern ausgestattet.

Messtechnik und weitere Satellitenkomponenten wurden von der NASA bereitgestellt. Das DLR kümmerte sich um Bau und Start der Satelliten und wickelt deren Betrieb ab. Zusammengesetzt wurden die Raumfahrzeuge bei Astrium in Friedrichshafen, der Transport in den Weltraum erfolgte vom russischen Plesezk aus auf einer Rockot-Rakete. Kontrolliert und gesteuert werden die Raumfahrzeuge vom DLR-Raumfahrtkontrollzentrum GSOC (für German Space Operations Center) in Oberpfaffenhofen.
Daten von Grace halfen unter anderem bei der Untersuchung des Rückgangs der Eisbedeckung Grönlands und der Grundwasserverluste im sogenannten Central Valley, der zentralen Region der Landwirtschaft im US-amerikanischen Bundesstaat Kalifornien. Die mit Hilfe der Daten von Grace erstellten Karten sind bis zu einhundert Mal genauer als zuvor verfügbare. Sie werden zum Beispiel von Meeres-, Gletscher-, Wetter- und Klimaforschern verwendet.

Grace 1 ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 27.391 bzw. als Objekt 2002-012A, Grace 2 mit der NORAD-Nr. 27.392 bzw. als Objekt 2002-012B.

Der Beitrag ILA: Mission von Grace wird verlängert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ingo Froeschmann. Quelle: NASA/JPL. Vertont von Dominik Mayer.

Isabella Velicogna und John Wahr, beide von der University of Colorado, leiteten die Studie. Sie demonstrieren erstmals, dass der antarktische Eispanzer seit 2002 kleiner geworden ist. Der Masseverlust entspricht einem Anstieg des Meeresspiegels um 1,2 Millimeter. Das sind 13 Prozent der in diesem Zeitraum gemessenen Anhebung des Meeresspiegels. Der Eisverlust betrug jährlich durchschnittlich 152 Kubikkilometer zwischen April 2002 und August 2005.

Das entspricht in etwa dem Frischwasserverbrauch der USA innerhalb von drei Monaten. Der größte Teil des Masseverlustes betraf den Eispanzer der westlichen Antarktis.

„Die Antarktis ist der größte Frischwasserspeicher der Erde“, sagte Velicogna. Die Mission Grace ist einzigartig in ihrer Fähigkeit, die Masse ganzer Eispanzer zu messen und festzustellen, wie sich die Masseverteilung auf der Erde verändert. Da die Eispanzer eine unsichere Größe bei der Bestimmung von zukünftigen Schwankungen des Meeresspiegels sind, sind die Ergebnisse dieser Mission besonders wichtig, nicht zuletzt wegen ihrer wichtigen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen. Mit der Zeit werden weitere Messreihen der Grace-Mission zur Verfügung stehen, und damit können wir Aussagen über langfristigere Veränderungen der Schmelzrate der Antarktis machen.

Die Messungen der Veränderungen im Eispanzer der Antarktis sind aufgrund ihrer Größe und Komplexität schwierig. Grace löst dieses Problem durch die Messung des gesamten Kontinents. Grace beobachtet zudem das Massenverhältnis zwischen dem Inneren der Antarktis und ihren Küstengebieten.

Für frühere Schätzungen wurden verschiedene Techniken angewandt, jede mit eigenen Einschränkungen, Unsicherheiten und unfähig, die Gesamtheit des Eispanzers zu erfassen. Auch Studien, die Ergebnisse verschiedener Messungen kombinierten, wie zum Beispiel die Untersuchung des Intergovernmental Panel on Climate Change, fehlten Daten von wichtigen Regionen.

„Die Kombination von Grace-Daten mit denen anderer Instrumente wie dem Ice, Cloud and Land Elevation Satellite, Radar- und Höhenmessungen, die für die Vermessung einzelner Gletscher besser geeignet sind, sollte unser Verständnis verbessern für die Prozesse, welche die Veränderungen im Eispanzer steuern“, sagte Velicogna.
Der Masseverlust der Antarktis konnte gemessen werden, weil die beiden identischen Grace-Satelliten winzigste Veränderungen des Schwerkraftfeldes der Erde messen können. Massebewegungen von Eis, Wasser, Luft und Erdboden sind Spiegelbilder von Wetter, Klimawandel und sogar Erdbeben. Um diese Veränderungen zu verfolgen, misst Grace die winzigen Messunterschiede im Mikronbereich zwischen den beiden Satelliten, die 220 Kilometer voneinander entfernt fliegen.

Der Beitrag Die Antarktis taut erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: GFZ Potsdam.

Die beiden baugleichen Satelliten der deutsch-amerikanischen Forschungsmission GRACE wurden am 17. März 2002 vom russischen Kosmodrom Plesetsk aus in rund 500 Kilometer hohe polare Erdumlaufbahnen transportiert. Seitdem fliegen die Tom und Jerry genannten Satelliten in etwa 220 Kilometer Entfernung hintereinander her und messen dabei permanent ihren Abstand zueinander mit der kaum vorstellbaren Genauigkeit von einem hundertstel Millimeter. Ihre eigene Position ermittel das Duo dabei mit Hilfe des GPS-Ortungssystems. Wenn nun beispielsweise Tom eine Massekonzentration überfliegt, wird seine Flugbahn und eben auch der Abstand zu Jerry dadurch geringfügig verändert, was sich in den Messdaten niederschlägt.

Am 25. Juli ist nun das erste auf Basis von Daten der GRACE-Mission beruhende Schwerkraft-Modell unseres Heimatplaneten veröffentlicht worden. Nach Angaben der Wissenschaftler beim GeoForschungsZentrum Potsdam sowie beim Center for Space Research der University of Texas sind hierfür Messdaten benutzt worden, die an 39 Tagen im August und November letzten Jahres erhoben worden sind. Obwohl zu dieser Zeit die wissenschaftliche Phase der Mission noch nicht begonnen hatte ist schon dieses Modell des Erdgravitationsfeldes rund fünf Mal genauer als alle vorherigen Modelle, die im Rahmen der deutschen Forschungsmission CHAMP aufgestellt worden sind, und sogar 50 Mal genauer als Modelle, die vor diesen beiden Missionen aufgrund der Beobachtung von Flugbahnveränderung anderer Satelliten produziert worden sind – schon jetzt also hat die GRACE-Mission die in sie gesetzten Erwartungen voll erfüllt!
Das nun vorgestellte Gravitationsmodell der Erde deckt sich größtenteils mit bekannten geologischen Strukturen. So ist es beispielsweise wenig verwunderlich, dass die GRACE-Satelliten in der Himalaya-Region erhöhte Gravitationswerte gemessen haben: Diese gigantische Gebirgsformation stellt natürlich auch eine enorme Masseansammlung dar. Doch nicht alle Schwerkraftanomalien (d.h. erhöhte oder redzuierte Schwerkraftwerte) konnten von den Wissenschaftlern eindeutig geologischen Strukturen zugeordnet werden. Teilweise scheinen unterhalb der Erdkruste befindliche Ansammlungen dichteren oder leichteren Materials für die gemessenen Werte verantwortlich zu sein.
Die Wissenschaftler der GRACE-Mission erwarten, zukünftig noch genauere Modelle des Erdgravitationsfeldes aufstellen zu können, wenn im Verlauf der Mission immer mehr Messwerte zur Verfügung stehen und da die mathematischen Modelle und Algorithmen zur Auswertung dieser Messwerte ständig verbessert werden.
Auf den Missions-Seiten des GeoForschungsZentrum Potsdam können Sie Animationen herunterladen, die das Schwerkraftmodell für die gesamte Erde darstellen. Mehr zu dieser Forschungsmission können Sie in unserem GRACE-Artikel lesen.

Der Beitrag GRACE: Erstes Schwerkraft-Modell der Erde erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein.

Am 17. März 2002 um 10:21 Uhr (MEZ) ist vom russischen Kosmodrom Plesetsk aus (rund 800 km nordöstlich von Moskau gelegen) das deutsch-amerikanische Satelliten-Duo GRACE („Gravity Recovery And Climate Experiment“) als Nutzlast einer russischen Rokot-Rakete gestartet worden – bei diesem Raketentyp handelt es sich übrigens um umgebaute SS-19 Interkontinentalraketen, ein Beispiel für die erfolgreiche Konversion militärischer Rüstungsgüter. Die beiden Satelliten sind danach in eine rund 500 km hohe polare Umlaufbahn eingeschwenkt und haben durch verschiedene Kurskorrekturen im Laufe der folgenden zwei Wochen einen Abstand von ca. 220 km zueinander eingenommen. Die beiden Satelliten wurden im Auftrag der NASA bei Astrium in Friedrichshafen gebaut und sollen mindestens fünf Jahre lang wissenschaftliche Daten zur Erde senden. Die Auswertung der Daten erfolgt unter anderem beim GeoForschungsZentrum in Potsdam, während die Flugkontrolle während der gesamten Missionsdauer vom Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (Bayern) aus erfolgt. Die GRACE-Mission ist Bestandteil des Earth System Science Pathfinder-Programms der NASA, das verschiedene spezialisierte wissenschaftliche Missionen umfaßt, die sich mit globalen Veränderungen des Ökosystems beschäftigen.

Worum geht es bei GRACE? Die Missionsbezeichnung verrät es eigentlich schon: Das Satelliten-Paar soll in hoher Auflösung das Schwerefeld der Erde und seine Veränderungen vermessen. Dabei wird durch den Einsatz zweier Satelliten die Messgenauigkeit gegenüber der (noch laufenden) Mission CHAMP um den Faktor 100 verbessert. Die Messung des Erdschwerefeldes wird erreicht, indem die Satelliten ständig ihre eigene Position mit Hilfe eines GPS-Systems sowie zweier Sternensensoren mit hoher Genauigkeit ermitteln und darüber hinaus den Abstand zwischen sich kontinuierlich mit Hilfe von Mikrowellen bis auf ein hundertstel Millimeter genau bestimmen. Wenn nun beispielsweise der voranfliegende GRACE-Satellit eine Massekonzentration überfliegt, wird seine Flugbahn und eben auch der Abstand zum nachfolgenden Zwillingssatelliten dadurch geringfügig verändert, was sich in den Messdaten niederschlägt.

Etwa alle 30 Tage wird die Mission ein komplettes Schwerefeld der Erde liefern. Neben dieser Hauptaufgabe erstellt jeder der beiden 490 kg schweren Satelliten bis zu 200 Profile der Temperaturverteilung und des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und der Ionosphäre pro Tag, indem Veränderungen der empfangenen GPS-Signale auf ihrem Weg durch die Atmosphäre ausgewertet werden.

Was hat aber nun die Vermessung des Erdschwerefeldes mit dem Klima zu tun? Dieser Zusammenhang wird nachvollziehbar, wenn man weiß, das GRACE aufgrund seiner enormen Messgenauigkeit auch die Bewegung von Wassermassen registrieren kann – und die Bewegungen des Wassers sind natürlich für das Klima von eminenter Bedeutung, denn zum einen ist die Erde ein „blauer“ Planet, und zum anderen speichert und transportiert Wasser enorme Wärmemengen. Einem Europäer sollte der Hinweis auf den Golfstrom und dessen Auswirkungen auf das hiesige Klima genügen um klar zu machen, dass dieser Mechanismus in seiner Bedeutung für das Klima gar nicht überschätzt werden kann.

Erstaunlicherweise können auch Strömungen tief unter der Meeresoberfläche registriert werden, denn Strömungen treten immer dann auf, wenn der Druck an einer Stelle höher oder niedriger als an anderer Stelle des Meeres ist. Und der Druck im Meer ist proportional zur Summe des Gewichts der über einem bestimmten Punkt lastenden Luft- und Wassersäule – kein Gewicht aber ohne Masse, und Masseänderungen wiederum können von den GRACE-Satelliten registriert werden. Außer den Strömungen von flüssigem Wasser können auf diese Weise auch Bewegungen von großen Eismassen in den Polargebieten und auf Grönland durch die beiden Satelliten registriert werden, ebenso wie große Massebewegungen im Erdinneren. Die Auflösung der von dem Satelliten-Duo gelieferten Messwerte beträgt etwa 300 Kilometer.

Die am GRACE-Projekt beteiligten Wissenschaftler werden ihre Daten mit denen verschiedener anderer Satelliten und erdgebundenen Beobachtungsstationen kombinieren, um durch Herausrechnung bestimmter Massen genauere Aussagen über gewünschte Teilaspekte machen zu können. Und auch die Datenauswertung anderer Erdbeobachtungssatelliten wie z.B. ENVISAT wird von den genauen Erdschwerefelddaten dieser Mission profitieren.

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