Benutzerspezifische Werkzeuge
Sie sind hier: Startseite Archiv Aus der Praxis Erfolgreicher Tiefflieger

Erfolgreicher Tiefflieger

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Die Erstellung verlässlicher Klimaprognosen ist ein zentrales Forschungsvorhaben unserer Zeit. Ein wichtiges Instrument dabei sind präzise Modelle des Erdschwerefelds. Meeresströmungen, Eisvolumen oder Prozesse im Erdinneren sollen auf Grundlage dieser Modelle künftig deutlich genauer berechnet werden können.

Das Schwerefeld der Erde wird von mehreren Faktoren bestimmt. Neben der Gravitationswirkung der Erdmasse ist die Schwerefeldstärke auch von der durch die Erdrotation verursachten Zentrifugalkraft abhängig. Die Schwerefeldstärke beträgt an der Erdoberfläche etwa 9,81 m/s². Diese aus Schulzeiten bekannte Zahl stellt aber nur einen Mittelwert dar. So ist die Schwerkraft etwa am Äquator durch die Fliehkraft etwas schwächer als an den Polen. Die Feldstärke des Schwerefelds ist zudem deshalb nicht einheitlich, weil die Erde keine exakte Kugelform hat, sondern viele Dellen und Beulen aufweist.

Lange wurde das irdische Schwerefeld mittels Landvermessungen bestimmt. Die Modelle, die aus diesen Messungen abgeleitet werden konnten, waren für wissenschaftliche Zwecke jedoch nur sehr eingeschränkt nutzbar. Auch waren die Messungen keineswegs flächendeckend; der Globus des Erdschwerefelds hatte viele weiße Flecken. Dort, wo Messergebnisse vorlagen, waren sie aufgrund unterschiedlicher Höhenbezugssysteme zudem oft nicht ohne weiteres zueinander kompatibel.

Lückenlose Schwerefelddaten lieferten erstmals Satelliten – auch, wenn dies zunächst nicht ihre primäre Aufgabe war. Heutige Missionen wie GRACE und GOCE haben hingegen das explizite Ziel, Variationen des Erdschwerefelds in immer höheren Auflösungen darzustellen. Vor allem der 2009 gestartete ESA-Satellit GOCE liefert Ergebnisse, die in ihrer Genauigkeit die seiner Vorgänger noch einmal deutlich übertreffen.

 

Neuartiges Messprinzip

GOCEs Überlegenheit bei der Bestimmung des Erdschwerefelds hat mehrere Gründe: Der Forschungssatellit fliegt mit rund 250 Kilometern auf einer extrem niedrigen Umlaufbahn – seine Schwestermissionen GRACE und der inzwischen verglühte CHAMP sind bzw. waren annähernd doppelt so hoch unterwegs. Zudem kommt bei GOCE ein neuartiges Messprinzip zum Einsatz, das im Vergleich zu CHAMP und GRACE noch einmal deutlich sensitiver arbeitet.

Während bei den beiden letztgenannten Missionen Schwerefeldinformationen noch von Unregelmäßigkeiten in den Umlaufbahnen bzw. der Entfernungsunterschiede zwischen den Zwillingssatelliten von GRACE abgeleitet wurden, verfügt GOCE über ein Gradiometer mit sechs paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern. Diese agieren wie sechs Minisatelliten im freien Fall – äußere Einflüsse, wie sie etwa die Restatmosphäre verursacht, treten in der geschützten Umgebung von GOCE nicht auf. Durch die Analyse der Ortsänderungen zwischen den Minisatelliten kann GOCE beim Überfliegen eines bestimmten Erdpunkts auch geringfügige Änderungen des Schwerefelds erfassen.

Um diese Genauigkeit zu gewährleisten, dürfen sich allerdings nur äußerst ausdehnungsresistente Materialien und keine beweglichen Bauteile an Bord des künstlichen Erdtrabanten befinden. Klappen, Ventile oder ähnliche Komponenten waren bei seiner Konstruktion also tabu. Außerdem mussten die Ingenieure die atmosphärische Reibung im Auge haben, die bei hoch präzisen Messungen auch 250 Kilometer über dem Erdboden noch Relevanz besitzt. Eine speziell konstruierte Kontrolleinheit an Bord von GOCE erfasst diesen permanenten Widerstand in Echtzeit und regelt die Ionentriebwerke des Satelliten entsprechend nach.

 

Viel Vorarbeit

Innovative Technologien erfordern entsprechend umfangreiche Vorarbeiten. So wurde bereits ab 2001, also acht Jahre vor dem Start des Forschungssatelliten, in Projekten wie GOCE GRAND I und II intensiv auf den Tag des Liftoffs hingearbeitet. Am Ende der Vorhaben standen belastbare Modelle und Algorithmen zur Berechnung des Schwerefelds und die für ihren Einsatz notwendigen Softwaremodule. Im GEOTECHNOLOGIEN-Projekt REAL-GOCE werden die in den Vorgängerprojekten konzipierten Datenverarbeitungsketten nun implementiert und auf die Messergebnisse von GOCE angewendet.

 

 GOCE-Geoidkarte

Mit Hilfe der GOCE-Daten lassen sich Karten des Erdschwerefelds wie diese anfertigen. Sie sind ein wichtiges Instrument, um Meeresströmungen, Eisvolumen oder Prozesse im Erdinneren besser zu verstehen (Bild: ESA).

 

REAL-GOCE gliedert sich in mehrere Teilprojekte: Während sich Wissenschaftler der Universitäten München und Hannover auf die bahnweise Analyse der GOCE-Daten konzentrieren, beschäftigen sich Forscher der Unis in Bonn und Stuttgart sowie des Deutschen GeoForschungsZentrums Potsdam und des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie mit der Berechnung globaler und regional verfeinerter Erdschwerefeldmodelle. Dabei greifen sie nicht nur auf Satellitendaten, sondern auch auf terrestrische Daten zurück. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie untersuchen unterdessen, welchen Einfluss die enormen Massen von Gebirgen, Meeren, Seen, Gletschern und Schelfeis auf empfangene Schwerefeldsignale ausüben, während Hamburger Forscher den Nutzen von GOCE bei der Modellierung der Ozeane erkunden.

„Die Herausforderung unserer Arbeit liegt vor allem darin, das Schwerefeldsignal so vollständig wie möglich abzubilden. Aufgrund der riesigen Datenmengen, die bei diesem Prozess zwangsläufig anfallen, ist der Einsatz von Supercomputern und Rechenclustern dabei unumgänglich“, erklärt Professor Wolf-Dieter Schuh, Projektkoordinator von REAL-GOCE. Der hohe Aufwand werde aber durch zahlreiche Fortschritte in verschiedenen Forschungsfeldern gerechtfertigt, betont der Bonner Professor.

 

Überraschende Phänomene

So verspricht etwa eine Kombination von GOCE-Messungen mit Höheninformationen der aktuellen Ozeanoberfläche eine exaktere Modellierung von Meeresströmungen und Meeresspiegel, während eine Verknüpfung der Satellitenmessungen mit Oberflächendaten von Eisschilden eine genaue Bestimmung des Eisvolumens ermöglicht, das sich unter ihnen verbirgt. Auch Dichten und Massenbewegungen im Erdinneren sollen sich so künftig besser berechnen lassen. „Solche Massenbewegungen beeinflussen zahlreiche Prozesse im System Erde. Die Analyse von GOCE-Schwerefelddaten wird uns dabei helfen, viele klimarelevante Phänomene besser zu verstehen“, ist Wolf-Dieter Schuh überzeugt.

Bis es soweit ist, haben die Wissenschaftler aber noch mit einigen Unwägbarkeiten zu kämpfen. „Bei der Analyse der Messdaten werden immer wieder überraschende Phänomene sichtbar, deren Ursachen oft nicht auf den ersten Blick zu erkennen sind“, sagt Schuh. Dabei sehen sich die Forscher häufig mit der Frage konfrontiert, ob unerwartete Beobachtungen tatsächlich mit dem Schwerefeld in Verbindung stehen oder möglicherweise nur auf eine vorübergehende Störung eines Instruments zurückzuführen sind. Letzteres ist angesichts der komplexen Messgeräte, die eigens für GOCE entwickelt wurden und erstmals im Orbit eingesetzt werden, keine Seltenheit.

Doch die Mühe der Forscher lohnt sich: So werden von einem besseren Verständnis der irdischen Prozesse auch andere Satellitenmissionen profitieren. „Die genaue Kenntnis des Erdschwerefelds ermöglicht es, Satellitenbahnen beziehungsweise die darauf einwirkenden Störkräfte physikalisch präziser zu modellieren“, erklärt Wolf-Dieter Schuh, „dadurch werden sich die Bahnen von heutigen und künftigen Satelliten deutlich präziser berechnen lassen.“

RD, iserundschmidt 01/2011


REAL-GOCE ist Teil des Forschungsschwerpunkts „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum III“. Beschreibungen zu den anderen Projekten dieses Kernbereichs finden Sie auf den Seiten der GEOTECHNOLGIEN.

Verweise
Bild(er)