Die Vermessung der Erde

grace foGemeinsam mit der St. Ursula-Schule Hannover engagiert sich die STRATMANN STIFTUNG und der Rotary Club Hannover-Leineschloss in einem vielversprechenden MINT-Projekt namens GRACE-FO.

Das Projektteam um Norbert Junker (Schulleiter), Christoph Steinmetz und Hans-Peter Meiser hat uns einen kurzen Statusbericht zukommen lassen, den wir nachfolgend veröffentlichen.


"Mit rasenden Schritten bewegen wir uns durch die letzten Tage dieses ungewöhnlichen Jahres. Wir senden Ihnen zwei gute Nachrichten, die uns sicher auch im kommenden Jahr viel Freude bereiten werden:

1. Seit Mitte des Jahres kooperieren wir mit Quantenphysikern und Geodäten der Leibniz Universität Hannover. Diese Kooperation hat mit der Bewilligung des Sonderforschungsbereichs TerraQ durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft nun einen offiziellen Rahmen erhalten.

Thematisch befassen wir uns momentan mit den technischen Hintergründen der Satellitenmission GRACE-FO. Wir freuen uns darauf in den nächsten Jahren am Puls der Forschung von TerraQ dabei sein zu dürfen und unter anderem weitere Einblicke in die Entwicklung von Sensoren für Satellitenmissionen zu erhalten.

2. Aufgrund der großzügigen Unterstützung der STRATMANN STIFTUNG konnten wir Experimentiermaterial beschaffen. Das erlaubt uns ein eigenes Interferometer aufzubauen. Damit können wir zentrale physikalische Phänomene veranschaulichen und untersuchen, die in den Satelliten von TerraQ eine zentrale Rolle spielen.

Die Lieferung mit der überwiegenden Menge des Experimentiermaterials ist eingetroffen und auf Vollständigkeit überprüft. Über den weiteren Verlauf des Aufbaus halten wir Sie auf dem laufenden.

Herzlichen Dank!"

grace fo 02


Der Sonderforschungsbereich TerraQ

Die Erdanziehungskraft ist keine statische Größe. Veränderungen der Massenverteilung - etwa durch Schwankungen des Grundwasserspiegels oder der Meereshöhe - führen zu minimalen Änderungen des Schwerefelds. Diese Änderungen sind messbar und spiegeln somit klimarelevante Prozesse in einzigartiger Weise wider.

Die zugrundeliegenden Prozesse sind jedoch noch nicht ausreichend verstanden, auch da existierende Messkonzepte und Sensoren zur Bestimmung der Schwerefeldvariationen bisher nur eine ungenügende räumlich-zeitliche Auflösung erreichen.

Ein Forschungskonsortium unter Leitung der Leibniz Universität Hannover will im Sonderforschungsbereich (SFB) TerraQ nun neue quanten-basierte Methoden für entsprechende Messungen im Weltraum und auf der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit entwickeln.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben zunächst bis 2024 mit rund 9,6 Millionen Euro. Im Sonderforschungsbereich werden rund 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Geodäsie und der Physik grundlegend neue Messtechniken, Sensoren und Analysemethoden entwickeln.

"Damit können wir die gravimetrische Erdbeobachtung wesentlich verbessern und einen essentiellen Beitrag für die Klimaforschung liefern, mit enormen Auswirkungen auf das gesamte Feld der Geowissenschaften", erläutert Professor Jürgen Müller vom Institut für Erdmessung der Leibniz Universität und designierter SFB-Sprecher.

Quelle: Leibniz-Universität Hannover


Das Projekt GRACE-FO

Mission

Die Satelliten wurden am 17. März 2002 mit einer Rokot-Rakete vom Kosmodrom Plessezk (Nordrussland) aus in eine nahezu polare und zirkulare Umlaufbahn mit einer Anfangshöhe von 500 km gestartet. Die Satelliten arbeiten nach dem SST-Prinzip (Satellite-to-Satellite Tracking): Sie umrunden die Erde auf derselben (genauer: korrelierten) Umlaufbahn in etwa 200 km Abstand und messen mit Mikrowellen kontinuierlich die gegenseitige Distanz. Dadurch lassen sich Unregelmäßigkeiten des Schwerefeldes mit hoher Präzision analysieren, obwohl die Schwereanomalien in einigen hundert Kilometern Höhe schon deutlich schwächer sind als an der Erdoberfläche.

Wenn sich der erste Satellit beispielsweise einer Region mit erhöhter Schwerkraft annähert, wird er dadurch geringfügig beschleunigt (im Vergleich zu einer ungestörten Bahn) und der Abstand der beiden vergrößert sich. Gelangt der zweite Satellit an diese Stelle und erfährt nun seinerseits die Beschleunigung, verringert sich die Distanz der beiden wieder in typischer Weise. Aufgrund dieses quasi gegenseitigen Verfolgens, aber nie Einholens erhielten die Satelliten die Spitznamen „Tom“ und „Jerry“.

Eine Nachfolgemission „GRACE Follow-On“ (GRACE-FO) wurde am 22. Mai 2018 erfolgreich gestartet, und soll die Ziele und Datensätze der vormaligen GRACE Mission (2002-2017) fortsetzen. Die Mission wird neben der Mikrowellen-Messung zusätzlich die Abstandsänderungen der Satelliten laserinterferometrisch vermessen. Instrumenteller Kern ist ein Messinstrument im Mikrowellenbereich K. Zugleich dient das Laserinterferometer des GRACE-FO der Technologiedemonstration für eLISA.

Ziele

Das primäre Ziel der GRACE-FO Mission ist es, präzise globale und hochauflösende Modelle des statischen und zeitvariablen Erdschwerefeldes zu bestimmen. Wie in der GRACE-Mission, basiert dies auf hochgenauen Beobachtungen des Abstandes zwischen den beiden Zwillingssatelliten, die auf einem koplanaren, niedrigen und polaren Orbit fliegen, mit Hilfe eines K/Ka-Band Mikrowelleninstruments.

Jeder der beiden Satelliten ist zusätzlich mit einem geodätischen Global Navigation Satellite System (GNSS) Empfänger zur Positionsbestimmung, einem Laser Retro-Reflektor (LRR) für die Vermessung der Satellitenbahn vom Boden und einem hochgenauen Akzelerometers zur präzisen Ausmessung der auf den Satelliten wirkenden nicht-gravitativen Kräfte ausgestattet.

Als sekundäres Ziel hat GRACE-FO auch ein Laser Ranging Interferometer (LRI) als Technologie-Demonstration an Bord. Das LRI vermisst wie das K/Ka-Band Instrument, allerdings wesentlich genauer, die Abstandsänderungen zwischen den beiden Satelliten und dient damit der Vorbereitung zukünftiger GRACE-ähnlicher Missionen. Ein weiteres untergeordnetes Ziel ist die Fortsetzung der Zeitreihe von Radiookkultationsmessungen von GRACE.

Technik

Das Projekt wurde vom DLR und dem NASA/JPL in Kooperation entwickelt und verspricht in einigen Jahren eine Kenntnis des globalen Geoids auf etwa einen Zentimeter – etwa fünf- bis zehnmal genauer als mit bisherigen Methoden der Satellitengeodäsie.

Allerdings ist die räumliche Auflösung durch die Flughöhe von etwa 470 km auf etwa 150 km beschränkt, sodass sich Flug- und terrestrische Gravimetrie bzw. die astrogeodätische Geoidbestimmung noch nicht erübrigen. Zusammen mit letzteren könnte das Geoid in einigen Jahren auch regional und lokal auf Zentimetergenauigkeit ermittelt werden; dies wäre notwendig, um das geowissenschaftliche Potenzial von dGPS voll zu nutzen.

Die beiden Satelliten waren für eine Lebensdauer von fünf Jahren ausgelegt. Nach über zehn Jahren in der Umlaufbahn altern jedoch die Bauteile, so können die Satelliten beispielsweise auf der Nachtseite der Erde keine Daten mehr aufnehmen, weil ohne Sonneneinstrahlung die Batterien dazu nicht genügend Energie liefern.

Projektbeteiligung

Kooperationspartner in diesem Projekt sind das Albert-Einstein-Institut Hannover, das Beiträge zum Laserinterferometer liefert, das Deutsche GeoForschungsZentrum der Helmholtz-Gesellschaft in Potsdam, das unter anderem ermittelte Daten auswertet, und die NASA, deren Jet Propulsion Laboratory koordinierende Aufgaben hat und die Umsetzung des Projekts am Goddard Space Flight Center überwacht. GRACE-FO ist die einzige Mission im Weltraum, die Massentransporte im System Erde kontinuierlich beobachten kann.

Das GRACE-FO Projekt wird in den USA unter der Leitung der NASA Earth Science Division (ESD) innerhalb des NASA Science Mission Directorate (SMD) und des Earth Systematic Missions Program Office am Goddard Space Flight Center (GSFC) durchgeführt.

Daneben besitzt die GRACE-FO Mission signifikante deutsche Beiträge, die gemeinsam durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) finanziert wurden.

Die deutsch-amerikanische Zusammenarbeit ist in einem Memorandum of Understanding (MOU) zwischen NASA und GFZ festgelegt, die jeweiligen Rollen und Verantwortlichkeiten sind im Cooperative Project Plan (CPP) beschrieben.