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„Wir wiegen die Erde“

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 25.03.2010 19:34

Forschungssatelliten registrieren heute minimale Landverschiebungen, geben Aufschluss über die Wasserzirkulation der Weltmeere und bestimmen die Höhe des Mount Everest. Deutsche Wissenschaftler denken aber bereits weiter: Sie arbeiten an Satellitenmissionen der nächsten Generation.

Die Schwerkraft auf der Erde ist nicht überall gleich groß. Das hat mehrere Ursachen: Zum einen wirken die Fliehkräfte, die unser Planet durch seine Drehung um die eigene Achse verursacht, am Äquator stärker als an den Polen. Außerdem ist die Erde keineswegs eine perfekte Kugel, sondern mit unzähligen Beulen und Dellen übersät. Auch die Erdkruste trägt mit unterschiedlich dichtem Gestein zu ortsabhängigen Abweichungen des irdischen Schwerefelds bei.

Mit Hilfe von Erdbeobachtungssatelliten lassen sich heute bereits sehr genaue Karten des terrestrischen Schwerefelds erstellen. Was sich aus diesen Daten ableiten lässt und wie künftige Satellitenmissionen aussehen könnten, darüber sprach planeterde mit Professor Nico Sneeuw, Leiter des Geodätischen Instituts der Uni Stuttgart. Im Rahmen des FuE-Programms GEOTECHNOLOGIEN koordiniert Sneeuw das noch bis 2012 laufende Projekt „Future Gravity Missions“.

planeterde: Herr Professor Sneeuw, bitte beschreiben Sie zu Beginn unseres Gesprächs doch einmal, was in den aktuellen Satellitenmissionen CHAMP, GRACE und GOCE geschieht; welchen konkreten Nutzen haben sie für uns?

Sneeuw: In diesen Missionen geht es um die Messung von Gravitationssignalen, die Erde wird also praktisch gewogen. Nehmen wir zum Beispiel GRACE. Mit diesem Satelliten wird das Schwerefeld unseres Planeten mit einer Genauigkeit gemessen, die auch eine Erfassung der zeitlichen Variation zulässt. Wir können mit GRACE also beispielsweise beobachten, wie sich Landmassen über den Globus hin und her verschieben. Der Klimawandel, der globale Wasserkreislauf oder das Abschmelzen der grönländischen und antarktischen Eiskappen – über diese und andere Phänomene können mit Satellitendaten inzwischen ziemlich genaue Aussagen getroffen werden.

planeterde: Jetzt könnte man ja laienhaft denken: Dass die Polkappen abschmelzen, sieht man auch auf Satellitenbildern. Was ist der Unterschied zwischen einem Satelliten, der solche Regionen fotografiert, und einem, der das Schwerefeld misst?

Sneeuw: Es ist richtig, dass auch anderen Methoden zum Einsatz kommen, um solche Vorgänge zu messen und zu verstehen. Der Unterschied liegt aber in der Methodik: Wenn Sie die Polkappen fotografieren, erfassen Sie die Ausdehnung des Eises, also seine Fläche. Komplementär dazu gibt es die Altimetrie, eine Satellitentechnik, mit der sich die Höhe der untersuchten Gebiete bestimmen lässt. Wenn man jetzt beide Verfahren kombiniert, kann man also das Volumen und Volumenänderungen bestimmen. Die Schweremessung misst hingegen Massen, was bekanntlich etwas anderes als ein Volumen ist. Von ihrer Oberfläche kann man ja nicht darauf schließen, wie eine Eiskappe im Inneren aufgebaut ist. Schnee, der kompaktiert und zu Eis wird, nimmt zum Beispiel ganz unterschiedliche Dichten an. Deshalb liefert eine Gravitationsmessung andere Ergebnisse als eine geometrische Untersuchung.

planeterde: Mit Daten von GRACE konnte nachgewiesen werden, dass sich die Landmasse von Skandinavien jedes Jahr um wenige Millimeter anhebt. Wie ist es angesichts von vielen anderen Faktoren, die die Laufbahn eines Satelliten beeinflussen können, möglich, derart genaue Messungen durchzuführen?

Sneeuw: Das ist eine gute Frage. Die Genauigkeit muss man natürlich immer in Bezug zu der räumlichen Struktur setzen, die man untersuchen möchte. Mit GRACE erfassen wir Grobstrukturen, die wir dafür aber auch sehr genau bestimmen können. Man kann mit dieser Mission also nicht das Verhalten von einem bestimmten geographischen Punkt in Nordfinnland bestimmen, für Skandinavien als Ganzes aber sehr genaue Aussagen treffen.

planeterde: Reden wir einmal über die politischen Aspekte einer Satellitenmission: Vor dem Start von GOCE… Übrigens: Wie wird GOCE eigentlich korrekt ausgesprochen?

Sneeuw (lacht): Auch das ist eine politische Frage! Am Anfang wurde der Satellit englisch „Gos“ genannt. In der europäischen Raumfahrbehörde ESA arbeiten aber auch viele Italiener und Spanier, die lieber „Gotsche“ sagen. Und weil GOCE von einem internationalen Industriekonsortium unter der Führung der italienisch-französischen Firma Thales Alenia Space gebaut wurde, ist unter den Mitarbeitern GOCE allmählich zu „Gotsche“ geworden. Schließlich ist auch die ESA formal dazu übergegangen, die Mission so zu bezeichnen. Ich habe mich aber ehrlich gesagt auch noch nicht richtig daran gewöhnt.

planeterde: Die Frage nach seiner korrekten Aussprache wird aber sicher nicht der Grund dafür gewesen sein, dass sich der Start von GOCE immer wieder verzögert hat. Zunächst für September 2008 geplant, wurde der Satellit schließlich erst im März 2009 ins All geschossen. Kam es zu dieser Verspätung auch deshalb, weil es bei einer Zusammenarbeit von zahlreichen Firmen und Institutionen über viele Landesgrenzen hinweg immer zu Kommunikationsproblemen kommen kann?

Sneeuw: Die ESA wird durch die Mehrzahl der europäischen Länder finanziert und somit ist klar, dass diese Länder auch an den Missionen der ESA direkt beteiligt sein möchten. Abgesehen von dieser politischen Komponente ist ein Satellit eine komplizierte Konstruktion, deren Bau von einem einzelnen Unternehmen gar nicht zu stemmen wäre.  Gerade GOCE ist unglaublich komplex: Normalerweise kann man sich einen Satelliten als eine schwebende Plattform im All vorstellen, auf die vor dem Start verschiedene Beobachtungsinstrumente geschraubt wurden. Bei GOCE kam es aber zu einer kompletten Integration von Satellitenplattform und Messinstrumente. Die Gravitation wird durch Beschleunigungsmesser gemessen; ein Verfahren, das so sensitiv ist, dass die Plattform extrem ruhig gehalten werden muss. Die Messinstrumente an Bord des Satelliten werden dabei auch für die Lage- und Positionsregelung genutzt. Dies macht GOCE zu einer der kompliziertesten Satellitenmissionen überhaupt, die schon vor dem Start viel Abstimmungsarbeit zwischen den beteiligten Ingenieuren und Wissenschaftlern erforderte.

GOCE

Satellit GOCE auf Kurs (Bild: ESA - AOES Medialab)

planeterde: Manche Menschen vertreten ohnehin die Auffassung, dass die enormen Gelder, die Jahr für Jahr in Satellitenmissionen fließen, besser in Projekten auf der Erde aufgehoben wären. Was entgegen Sie solchen Meinungen?

Sneeuw: Man muss das eine tun und darf das andere nicht lassen. Die Klimaerwärmung oder steigende Meeresspiegel sind globale Probleme, denen man nur durch eine globale Erfassung der Veränderungen unseres Planeten begegnen kann. Soll dies in einem moderaten Zeitraum geschehen, kommt man an der Satellitentechnik nicht vorbei. Die Werte, die wir aus dem All erhalten, werden aber durch Messungen am Boden noch ergänzt. Wir sprachen vorhin von der Landhebung in Skandinavien: Dort sind Kollegen aus Hannover mit terrestrischen Gravimetern unterwegs und validieren unsere Ergebnisse vor Ort. Dabei erhalten sie für bestimmte Gebiete, die wir aus dem All nur grob erfassen können, sehr detaillierte Ergebnisse. Messungen an Land und aus dem All gehen in unserem Fachbereich also Hand in Hand.

planeterde: Kommen wir nun zu Ihrem Projekt, den „Future Gravity Missions“. Wie würden Sie die Ziele des Vorhabens zusammenfassen?

Sneeuw: Wir haben jetzt ja ausführlich über GOCE und GRACE gesprochen. In diesen Missionen steckt zu einem guten Teil auch deutsches Wissen drin. Die GOCE-Mission wird allerdings im Laufe des nächsten Jahres beendet werden und auch GRACE hat sein Haltbarkeitsdatum eigentlich schon überschritten. Wir müssen also dringend über Nachfolgemissionen nachdenken; darüber, was wir in kommenden Projekten konkret tun möchten. Und da Deutschland sowohl durch seine Industrie als auch von der wissenschaftlichen Seite viel Potenzial bietet, stellt unser Projekt einen Zusammenschluss zahlreicher Partner aus diesen Bereichen dar. Und klar ist: Wenn man so etwas konzipiert, dann will man natürlich auch besser werden als das, was es bereits gibt.

planeterde: Wie lässt sich dieses Ziel erreichen?

Sneeuw: Wir denken über künftige Schwerefeld-Satellitenmission nach, die feinere Strukturen messen können und Phänomene schneller verarbeiten können. Bei Schwerefeldmissionen fliegen wir möglichst dicht an die Massen heran, die wir untersuchen möchten. GOCE umkreist unseren Planeten beispielsweise in einer Höhe von wenig mehr als 250 Kilometer, was für einen Satelliten schon extrem niedrig ist. In dieser Bahnhöhe dauert ein Umlauf nur ungefähr 90 Minuten. Dennoch sind viele Umläufe um die Erde nötig, um ein globales Schwerefeld exakt zu bestimmen. So ist GRACE etwa einen Monat unterwegs, bis man anhand seiner Daten ein sauberes Schwerefeld bestimmen kann. Das ist für Anwendungen aus der Hydrologie oder Ozeanographie in Ordnung, andere Anwendungen benötigen hingegen eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung.

planeterde: Künftige Satelliten werden die Erde aber wohl kaum wesentlich schneller umrunden können als heutige.

Sneeuw: Da haben Sie Recht. Wir konzentrieren uns deshalb auf Mehrfachkonstellationen. Die GRACE-Mission besteht bekanntlich aus zwei sich folgenden Satelliten auf der gleichen Umlaufbahn. Ändert sich ihr Abstand minimal, kann dadurch auf Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld geschlossen werden.  Wir überlegen jetzt: Was passiert, wenn wir zusätzliche Satelliten im Umlauf haben, wie sieht die Zeit-Raum-Auflösung dann aus? Wir arbeiten also konzeptionell: Wie viele Satelliten brauchen wir auf welchen Bahnen, welche Sensoren haben wir dabei an Bord? Und da unser Projekt im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms eine Laufzeit von drei Jahren hat, haben wir Muße und Zeit auch über langfristige Konzepte nachzudenken. Es ist also nicht so, dass wir gleich morgen den GRACE-Nachfolger auf dem Tisch haben müssen, vielmehr denken wir auch in Zeiträumen von 10 bis 15 Jahren über die nächste Generation von Missionen nach.

planeterde: Sie haben die GEOTECHNOLOGIEN gerade erwähnt. Wie schätzen Sie im Allgemeinen das Engagement des Forschungsprogramms im Bereich der Satellitenmissionen ein? Sind Sie mit der Unterstützung zufrieden?

Sneeuw: Wir sind sogar sehr zufrieden. Unsere Community profitiert meiner Meinung nach in besonderem Maße von diesem Engagement. Durch die zahlreichen Projekte ist das Wissen im Bereich der Satellitenforschung in den letzten Jahren sehr stark angestiegen und auch die Nachwuchswissenschaft wird von den GEOTECHNOLOGIEN intensiv gefördert. Future Gravity Missions ist eines von drei Schwesterprojekten, die auf das abgeschlossene Schwerpunktthema „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum II“ aufbauen, welches zusammen mit Phase eins insgesamt sechs Jahre gelaufen ist. Nach Phase zwei waren die Forschungsziele im Grunde erreicht, die Themen abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt bestand die Gefahr, dass das erlangte Wissen nicht weiter angewendet werden konnte. Dies haben die GEOTECHNOLOGIEN erkannt und deshalb die Schwesterprojekte der dritten Phase auf den Weg gebracht. Was nach dieser Phase passiert, ist heute noch unklar. Wir hoffen aber natürlich darauf, dass wir auch dann wieder involviert sein können.

planeterde: Herr Professor Sneeuw, vielen Dank für dieses Gespräch.


Die „Future Gravity Missions“ sind Teil des GEOTECHNOLOGIEN-Forschungsschwerpunkts „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum III“. Die anderen Projekte dieses Kernbereichs werden hier vorgestellt.

RD, iserundschmidt 03/2010

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