mini|Darstellung des Erdschwerefeldes mithilfe der Mission GRACE Die Potsdamer Schwerekartoffel ist eine Darstellung der irdischen Anziehungskraft. Um besser zu verstehen, weshalb das Erdschwerefeld in manchem Regionen der Erde stärker ist als an anderen, wurde aus Satellitenmessungen dieses Modell erstellt. Gebiete geringer Schwerkraft machen sich als Täler bemerkbar, Gebiete hoher Erdanziehung zeigen sich als Beulen. Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet, ähnelt die Form der Erde eher einer Kartoffel, als einer Kugel. Zentrum der Untersuchung der Daten ist das GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung in Potsdam. Seit 1995 sind mehrere Modelle veröffentlicht worden, die deutliche Qualitätssprünge aufzeigen.
Unterschiede in der Erdanziehungskraft MT mini|hochkant|Dreidimensionales Modell der „Potsdamer Kartoffel“ (2017) mit einer 15.000-fach überhöhten Höhendarstellung, Deutsches GeoForschungsZentrum Unregelmäßigkeiten der Erdanziehungskraft sorgen dafür, dass Regionen auf der Erde verschieden stark angezogen werden. Beispielsweise ist die bei Indien um 0,3 Promille geringer als im Durchschnitt auf der Erdoberfläche. Das führt dazu, dass ein in Deutschland 70 Kilogramm schwerer Mensch, im Süden Indiens 21 Gramm weniger wiegt.
Die Unterschiede in der Erdanziehungskraft wirkt sich auch auf Wassermassen aus. So können die Messungen der Meereshöhe Normalnull über den Erdball verteilt unterschiedlich ausfallen. Beispielsweise liegt der Meeresspiegel des Indischen Ozeans 190 Meter tiefer als der des Westpazifiks vor der Küste Australiens; eine Abweichung in der dynamischen Meerestopographie. Beide Werte gelten übrigens als Normalnull, denn Normalnull ist der sich natürlich einstellende Meeresspiegel.
Eine ungleiche Verteilung der zähen Gesteinsschmelze im Erdinneren verändert die Anziehungskraft. Über Festland zeigen die Satellitenbilder Schwankungen der Schwerkraft und lassen Vermutungen über die Gesteine im Erdinneren anstellen. Über Granit- oder Eisenerzvorkommen ist die Erdanziehung etwa größer als über Kalkstein oder Salzstöcken. Häufig finden sich Anomalien in Bereichen von Rändern der Kontinentalplatten.
Satellitenmessungen Satelliten werden auf ihrer Bahn von der Erdanziehung mal stärker, mal schwächer angezogen. Eine Herausforderung ist, dass je tiefer ein Satellit fliegt, desto stärker er den Einflüssen der Gravitation ausgesetzt ist. Das Weltraumwetter macht zudem die Bahn von antriebslosen Satelliten unregelmäßig. Daher ist das Anpeilen mit Laserteleskopen umso schwieriger, je näher der Satellit der Erde ist. Die Satellitenbahnen zeigen je nach Erdanziehung Täler und Beulen auf. Diese Unregelmäßigkeiten machen sich die Wissenschaftler zunutze. Kombiniert werden die Satellitenmessungen mit Schweremessungen am Boden und Messwerten der Satelliten-Höhenmessung. Ein weltumspannendes Netzwerk von Satellite-Laser-Ranging-Stationen (SLR) kommt zum Einsatz. Die SLR-Station des GFZ steht auf dem Potsdamer Telegrafenberg und kann die Entfernung zu Satelliten in Umlaufbahnen von 400 bis 25.000 Kilometern über der Erde messen, mit einer Genauigkeit von etwa 1 cm.
Über den Lauf der Projektzeit zur Messung der Erdanziehung kamen unterschiedliche Satelliten in mehreren Missionen zum Einsatz:
Die Reihe von Missionen begann mit dem 1995 gestarteten deutschen Forschungssatellit GFZ-1, „Space-Trabi“ genannt. GFZ-1 kreiste zunächst in knapp 400 Kilometern Höhe um die Erde, am Ende des Projekt auf einer Höhe von 230 Kilometern. Er war der niedrigste geodynamische Satellit, der jemals mit Lasern vermessen wurde. Im selben Jahr veröffentlichten die GFZ-Forscher die erste „Potsdamer Kartoffel“. Inkludiert wurden auch Messungen der zwei Laser Geodynamics Satellites, LAGEOS 1 (Start 1976) und LAGEOS 2 (Start 1992).
Der deutsche Kleinsatellit CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) (2000 bis 2010) wurde in eine polarnahe 454 Kilometer hohe Umlaufbahn gestartet. CHAMP vermaß das Magnet- und Schwerefeld der Erde und sammelte präzise Informationen über globale Temperatur- und Wasserdampfverteilungen.
Mitte März 2009 wurde die ESA-Mission Gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE) gestartet. Mit diesem Erdsatellit wird das Schwerefeld der Erde vermessen. Das erlaubt auch bis dahin schwer zugängliche Regionen, an Land und zu Wasser, zu vermessen. Der Satellit lieferte Daten, aus denen das GFZ ein eigenes Schwerefeld berechnet hat.
Das GFZ betreibt gemeinsam mit der US-amerikanischen Weltraumagentur NASA auf das Erdschwerefeld spezialisierte Satellitenmissionen: Es begann mit der Mission GRACE, von 2002 bis 2017. Der Doppelsatellit Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) ist ein Projekt zur genauen Bestimmung des Erdschwerefeldes in einer niedrigen Umlaufbahn. Es liefert Daten, die das Schwerefeld der Erde samt seiner zeitlichen Variationen beschreiben. Für das Schweremodell EIGEN-6C wurden u. a. langjährige Messdaten des Doppelsatelliten GRACE einbezogen. Das Projekt wurde 2018 mit neuen Satelliten als GRACE-FO fortgesetzt. Eine weitere Verlängerung ist für 2028 mit GRACE-C geplant, um dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren abbilden zu können.
Modelle mini|Legende roter und blauer Bereiche 1999 veröffentlichten die GFZ-Forscher die erste „Potsdamer Kartoffel“. 2005 wurde eine weitere Karte erstellt, sowie im Jahr 2011 das Schweremodell EIGEN-6C. Ein Vergleich der verschiedenen „Potsdamer Kartoffeln“ seit 1995 zeigt die Qualitätssprünge deutlich.
Das Ergebnis der Vermessungen erlaubt ein präzises Abbild von der wahren Form der Erde, das sogenannte Geoid. Orte, an denen die Gravitation stärker ist, sind auf der Karte rot gefärbt und als Beulen dargestellt. In blauen Regionen ist die Gravitation etwas geringer und als Tal dargestellt. Viele Beulen und Täler gehen mit Strukturen auf der Oberfläche einher. Auch Tiefseegräben, untermeerische Vulkane, mittelozeanische Rücken oder Gesteinsumwälzungen im Erdmantel spiegeln sich im Geoid wider. An anderen Orten erkennt man keinen Zusammenhang. Diese Strukturen könnten Stellen mit ungewöhnlich hoher oder geringer Dichte unter der Oberfläche sein. Um die Höhenschwankungen für das menschliche Auge sichtbar zu machen, wurden sie auf dem Geoid 10.000-mal höher dargestellt, als sie in Wirklichkeit sind.
Modell EIGEN-6C Im Juni 2011 veröffentlichte das GFZ das Schweremodell EIGEN-6C. Das Modell wurde in Zusammenarbeit mit der Groupe de Recherche de Géodésie Spaciale aus Toulouse berechnet. Mit diesem Modell ist die „Potsdamer Kartoffel“ zum ersten Mal kein fester Körper mehr, sondern eine sich zeitlich ändernde Fläche.
Dieses Modell wurde aus den kombinierten Daten verschiedener Sat-Messungen von LAGEOS, GRACE, GOCE und anderen Messmethoden erstellt. Gerade die langjährigen Messdaten der Doppelsatelliten-Mission GRACE ermöglichten erstmals die Darstellung zeitlich veränderlicher Schweregrößen. Dazu gehören beispielsweise das Abschmelzen großer Gletscher in den Polargebieten, die jahreszeitlichen Schwankungen des Wasserhaushalts der Kontinente wie Wassermengen in großen Flusssystemen. Damit gehen klimarelevante Größen in die Modellierung des Erdschwerefeldes ein.
EIGEN-6C besitzt eine räumliche Auflösung von etwa 12 Kilometern. Das ist gegenüber der vorherigen Ausgabe der „Potsdamer Kartoffel“ eine vierfache Steigerung.
Nutzen Die mit GOCE-Messungen berechneten Schwerefeldmodelle sind von großem Interesse für die Meereskunde und die Klimaforschung. Die Karten helfen, die Veränderung der Erdoberfläche zu kalibrieren. GPS-Navigationsgeräte werden mit den Daten der „Potsdamer Kartoffel“ programmiert.
Mit den Satellitenbildern können Meeresströmungen ausfindig gemacht werden. Meeresströmungen bestimmen ganz wesentlich die dynamische Meerestopografie.
Gerade um klimarelevante Prozesse langzeitig erfassen zu können, sind die GRACE-Missionen erforderlich. Dank GRACE und GRACE-FO konnten der Verlust der großen Eisschilde auf Grönland und in der Antarktis beziffert werden, sowie der Wasserverlust in Deutschland in den Dürrejahren 2018 und 2019. Es lässt sich ableiten, wie sich Wasser im Untergrund verhält, was zuvor mit diesen Methoden nicht möglich war. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten, Klimaveränderungen langzeitig zu beobachten und zu quantifizieren.
Forschungsgruppe NEROGRAV Die Forschungsgruppe New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions (NEROGRAV) läuft seit 2019, seit 2023 in Phase 2. Ziel ist es, neuartige Methoden zu entwickeln, um die Daten von Schweremessungen noch präziser auswerten zu können. Durch Verbesserung und Verstehen von Messdaten und Modellen können Auflösung und Genauigkeit erhöht werden, was den wissenschaftlichen Gewinn in verschiedenen Anwendungsbereichen verbessert. Damit lässt sich die Planung von zukünftigen Missionen präzisieren, wie es bereits bei GRACE-FO geschehen ist. Zweck ist u. a. die Abschätzung von hydrometeorologischen Extremereignissen und die Identifizierung von Schwankungen des terrestrischen Wasserspeichers.
Sprecher des Projekts ist Frank Flechtner von der TU Berlin. Weitere Projektpartner sind Maik Thomas (Freie Universität Berlin und GFZ), Denise Dettmering (Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, Technische Universität München), Henryk Dobslaw und Natalia Panafidina (GFZ), Petra Friedrichs, Jürgen Kusche und Michael Schindelegger (Universität Bonn), Roland Pail und Thomas Gruber (Technische Universität München) sowie Annette Eicker (HafenCity Universität Hamburg). Maik Thomas leitet wie Frank Flechtner eine Sektion am GFZ.
Weblinks Bild Geoid: Die Potsdamer Schwerekartoffel vom GFZ (auf Bild-Miniatur klicken) Video 'Potato' Earth (from ESA) auf YouTube (0:48 Minuten)
Einzelnachweise
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