Materie in Bewegung: Earth’s Changing Gravity

Materie in Bewegung: Earth’s Changing Gravity

Von Laura Naranjo

• Über die Daten
• Über PO.DAAC
• Download PDF

Der Legende nach entdeckte Isaac Newton die Schwerkraft, nachdem er beobachtet hatte, wie ein Apfel von einem Baum fiel. Mit dem Wort „gravitas“ (lateinisch für „Gewicht“) beschrieb er die grundlegende Kraft, die Objekte auf der Erde verankert hält. Seitdem haben Wissenschaftler Karten der Erdanziehungskraft verwendet, um Entwässerungssysteme zu entwerfen, Straßennetze anzulegen und Landflächen zu vermessen. Aber Newton konnte sich wahrscheinlich nicht vorstellen, dass die Schwerkraft neue Informationen über den globalen Wasserkreislauf liefern könnte.

Traditionell erstellten Wissenschaftler Schwerkraftkarten durch eine Kombination von Landmessungen, Schiffsaufzeichnungen und in jüngerer Zeit durch Fernerkundung. Diese Messungen waren jedoch nicht genau genug, um die geringfügigen Veränderungen in der Wasserbewegung zu erfassen, die die Schwerkraft im Laufe der Zeit verändern. Mit Hilfe einer neuen Satellitenmission können Wissenschaftler nun das Wasser wiegen, während es um den Globus zirkuliert, und diese Messungen mit Veränderungen des Meeresspiegels, der Bodenfeuchtigkeit und der Eisschilde in Verbindung bringen.

Um diese Schwankungen der Schwerkraft besser beurteilen zu können, hat ein internationales Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern die Mission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) entwickelt. Die Mission wurde im März 2002 als gemeinsames Projekt der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt gestartet und in Zusammenarbeit mit dem University of Texas Center for Space Research, dem Geoforschungszentrum und dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA durchgeführt.

GRACE besteht aus zwei identischen Satelliten, die jeweils etwa so groß wie ein Auto sind. Während die Satelliten in einem Abstand von etwa 220 Kilometern hintereinander fliegen, überwacht ein Mikrowellen-Entfernungsmesssystem den Abstand zwischen ihnen bis auf ein Mikrometer genau – kleiner als ein rotes Blutkörperchen. Die Wissenschaftler können die Schwerkraft überall auf der Erdoberfläche abbilden, indem sie die winzigen Änderungen des Abstands zwischen den beiden Satelliten messen, wenn jeder von ihnen als Reaktion auf die Schwerkraft beschleunigt und verlangsamt wird.

Die GRACE-Daten, die im Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) der NASA in Pasadena, Kalifornien, und im GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC) archiviert werden, verändern die Art und Weise, wie Wissenschaftler und Modellierer die Schwerkraft betrachten. GRACE liefert monatliche Karten, die Veränderungen im Schwerefeld der Erde mindestens 100-mal genauer darstellen als frühere Karten. „Die klassische Vorstellung, dass die Schwerkraft etwas ist, das man einmal misst, wird nicht mehr akzeptiert. Die Schwerkraft ist ein Element, das die Wissenschaftler ständig überwachen müssen“, sagte Byron Tapley, Direktor des Zentrums für Weltraumforschung und Hauptverantwortlicher für die GRACE-Mission.

Da die Wissenschaftler die Schwerkraft nicht sehen, fühlen oder direkt beobachten können, kartieren sie die Schwerkraft der Erde mit Hilfe eines mathematischen Modells, das eine imaginäre Kugeloberfläche, das Geoid, beschreibt. Das Geoid stellt die Ozeane als glatte, kontinuierliche Oberflächen dar, die nicht von Gezeiten, Winden oder Strömungen beeinflusst werden. Es schafft eine lokal horizontale Oberfläche, gegen die Wissenschaftler die abwärts gerichtete Anziehungskraft der Schwerkraft messen können.

Die Schwerkraft wird durch die Masse eines bestimmten Materials bestimmt, d. h. je mehr Masse ein Objekt hat, desto stärker ist seine Anziehungskraft. Granit ist zum Beispiel ein sehr dichtes Material mit einer hohen Masse und übt daher eine stärkere Anziehungskraft aus als das gleiche Volumen eines weniger dichten Materials, wie zum Beispiel Wasser. Die Masse der Erde ist auf verschiedene Landformen und Merkmale – wie Gebirgszüge, Ozeane und Tiefseegräben – verteilt, die alle eine unterschiedliche Masse haben, wodurch ein ungleichmäßiges Schwerefeld entsteht.

Das Geoid bildet also keine perfekte Kugel, und in Karten, die auf dem Geoid basieren, weist das Schwerefeld der Erde Ausbuchtungen und Vertiefungen auf. „Da die Verteilung der Materialien im Erdinneren unterschiedlich ist, weist das Schwerefeld der Erde Hügel und Täler auf. Der Ozean versucht, sich entlang dieser hügeligen Oberfläche zu legen“, sagt Michael Watkins, GRACE-Projektwissenschaftler am JPL. Zum Beispiel ist die Meeresoberfläche vor der Spitze Indiens etwa 200 Meter (650 Fuß) näher am Erdkern als die Meeresoberfläche bei Borneo. Ohne Gezeiten, Strömungen und Wind würde die Meeresoberfläche den Hügeln und Tälern des Geoids folgen, das die Schwankungen der Erdanziehungskraft widerspiegelt.

„Das Schwerefeld der Erde ändert sich von einem Monat zum nächsten, hauptsächlich aufgrund der Wassermassen, die sich auf der Oberfläche bewegen“, so Watkins. „Da Wasser in all seinen Formen Masse und Gewicht hat, können wir den sich bewegenden Ozean tatsächlich wiegen.

GRACE beobachtet den Wasserkreislauf der Erde und ermöglicht es den Wissenschaftlern, zu verfolgen, wie Wasser in die Atmosphäre verdunstet, in Form von Regen oder Schnee auf das Land fällt oder in den Ozean abfließt. „Die größten hydrologischen Ereignisse im Süßwasserbereich, die GRACE erfasst, sind der Regenabfluss in den größeren Flusseinzugsgebieten wie dem Amazonas und der Monsunzyklus in Indien“, so Tapley.

Die Feststellung, wie viel Wasser in die Ozeane gelangt, ist der Schlüssel zu Erkenntnissen über Veränderungen des Meeresspiegels. Andere Fernerkundungsinstrumente können zwar Veränderungen des Meeresspiegels beobachten, aber sie können nicht zwischen thermischer Ausdehnung (wenn sich wärmeres Wasser ausdehnt) und zusätzlicher Masse in Form von Wasser, das dem Ozean hinzugefügt wird, unterscheiden. „GRACE ist nur für den Teil der Veränderungen des Meeresspiegels empfindlich, der auf die hinzugefügte Wassermasse zurückzuführen ist“, so Don Chambers, Forscher am Center for Space Research. „Die meisten Modelle gehen davon aus, dass die Gesamtmasse des Ozeans konstant ist – dass also kein Wasser zu- oder abgeführt wird. Mit den GRACE-Messungen müssen die Modellierer Schwankungen in der Masse berücksichtigen.“

Die Entwicklung einer genaueren Darstellung der Veränderungen des Meeresspiegels ist für tief liegende Länder wie Tuvalu wichtig. Das im Pazifischen Ozean zwischen Hawaii und Australien gelegene Land besteht aus neun Inseln und Atollen (ringförmige Koralleninseln, die eine Lagune umschließen). Da die Inseln an ihrem höchsten Punkt nur 5 Meter über dem Meeresspiegel liegen, sind sie durch den Anstieg des Meeresspiegels gefährdet. GRACE-Daten können langfristige Klimatrends aufzeigen, die sich auf Veränderungen des Meeresspiegels auswirken können.

Neben der Messung von Veränderungen der Wassermasse an der Erdoberfläche kann GRACE auch großräumige Feuchtigkeitsveränderungen im Untergrund feststellen. Während der Rekordhitzewellen in Russland im Jahr 2002 und in Europa im Jahr 2003 ermöglichten es GRACE-Daten den Wissenschaftlern beispielsweise, die Menge an Feuchtigkeit zu messen, die während dieser sehr trockenen Perioden aus dem Boden verdunstet ist. Diese Fähigkeit wird auch Hydrologen auf Veränderungen in Grundwasserleitern und unterirdischen Wasservorräten aufmerksam machen. „Es ist sehr schwer zu messen, wie viel Wasser sich tief im Boden befindet und wie sehr es sich von einem Jahr zum nächsten verändert. GRACE ist eines der wenigen Instrumente, mit denen wir das tun können“, so Watkins. „Es kann uns helfen, die lokale Hydrologie, die Evapotranspiration, den Niederschlag und den Flussabfluss zu verstehen, und es kann uns eine Vorstellung davon geben, wie viel Wasser tief in der Erde für die Bewässerung und die Landwirtschaft zur Verfügung steht“, so Watkins.

Wissenschaftler nutzen GRACE-Daten auch, um gefrorenes Wasser in Form von Eisschilden und großen Gletschern zu erfassen. Isabella Velicogna, Forscherin an der Universität von Colorado, untersucht die Massenveränderungen im grönländischen Eisschild. „Einige Komponenten des saisonalen Zyklus in Grönland sind nicht sehr gut verstanden, wie der Eisabfluss und die subglaziale Hydrologie. GRACE erkennt einige dieser Komponenten, die schwer zu messen sind“, sagte sie. Andere Instrumente, wie z. B. Altimeter, können Höhenänderungen des Eisschildes bestimmen, aber GRACE sieht die Gesamtmasse und macht die Wissenschaftler darauf aufmerksam, wie viel Eis und Wasser vom Eisschild abfließt. „GRACE liefert Informationen, die man mit keinem anderen Satelliteninstrument erhalten kann“, sagte Velicogna.

Nach der Analyse der Daten aus zwei Jahren stellte Velicogna einen längerfristigen Trend fest: Das Eisschild verliert an Masse. Obwohl andere Forschungsarbeiten in Grönland diesen Befund stützen, fügte sie hinzu, dass die Wissenschaftler eine längere Zeitreihe von Daten benötigen, um zu verstehen, was mit dem Eisschild geschieht. Grönland beherbergt etwa 2.600.000 Kubikkilometer Eis, dessen Abschmelzen einen Anstieg des Meeresspiegels um etwa 6,5 Meter zur Folge hätte. Seit dem späten neunzehnten Jahrhundert haben schmelzende Eisschilde und Gletscher den globalen Meeresspiegel um etwa 1 bis 2 Zentimeter pro Jahrzehnt erhöht.

Auch Gletscher, die vor langer Zeit geschmolzen sind, beeinflussen den Meeresspiegel heute. Zum Beispiel bedeckte eine große Eismasse das Gebiet der Hudson Bay während der letzten Eiszeit, die vor etwa 15.000 Jahren endete. Jetzt, ohne das Gewicht der Gletscher, erholt sich das Land unter diesem Gebiet langsam mit einer Rate von etwa 1 Zentimeter pro Jahr. Im Laufe der Zeit wirkt sich dieser nacheiszeitliche Rückprall auf regionale Küstenlinien aus, was die Ablesung von Gezeitenmessern erschwert und die Überwachung von Veränderungen des globalen Meeresspiegels erschwert. Die GRACE-Daten werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Veränderungen zu messen, die auf den postglazialen Rückprall zurückzuführen sind, so dass sich leichter feststellen lässt, inwieweit andere Faktoren – wie die globale Erwärmung – zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen.

Die Forscher haben GRACE als fünfjährige Mission konzipiert, hoffen aber, bis zu zehn Jahre lang Daten zu sammeln. Die Verlängerung der Missionsdauer wird es ihnen ermöglichen, neue Anwendungen für die GRACE-Daten zu erforschen. „Wir kombinieren Schwerkraftmessungen mit anderen Daten, z. B. aus der Altimetrie von Eisschilden oder der Radaraltimetrie. Aber wir versuchen immer noch zu verstehen, was all diese Daten uns sagen“, sagte Watkins. „Es ist eine sehr beeindruckende technische Leistung, die es uns ermöglicht, so detaillierte Messungen durchzuführen. GRACE ermöglicht uns eine hochauflösende Schwerkraftkartierung – es ist ein bahnbrechendes Fernerkundungsinstrument.“

Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, and C. Reigber.2004. The gravity recovery and climate experiment: mission overview and earlyresults. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.

Chambers, D.P., J. Wahr, and R.S. Nerem. 2004. Preliminary observations ofglobal ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.

Für weitere Informationen

NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)

Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) website

GRACE fact sheet

GRACE Space Twins Set to Team up to Track Earth’s Water and Gravity

Über die verwendeten Fernerkundungsdaten
Satellit	Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)
Parameter	Schwerkraftschwankungen
DAAC	NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)