Satelliten 29.03.2002, 18:33 Uhr

Der Schwerkraft auf der Spur

Am 17. März starteten die Satelliten „Tom und Jerry“ in den Orbit, die die Veränderungen des Schwere­­­felds der Erde erfassen. Die Daten sind Grundlage für wissenschaftliche Untersuchungen, aber auch für eine präzisere Navigation.

Den Ingenieuren und Geodäten des Geoforschungszentrums Potsdam (GFZ) stehen in den nächsten Jahren viele Daten ins Haus. Zwei um die Erde kreisende baugleiche Satelliten – von den Entwicklern „Tom und Jerry“ genannt – werden Tag für Tag eine Datenmenge von etwa 100 Megabyte über die Erdanziehung sammeln. Vier- bis fünfmal täglich, wenn sie die Bodenstationen in Weilheim und Neustrelitz überfliegen, übertragen sie die Daten zur Erde. Sie sollen nicht nur dazu dienen, Prozesse auf und in der Erde besser zu verstehen, sondern auch Schiffe sehr viel genauer und damit wirtschaftlicher navigieren zu können.

Die Forscher am GFZ freuen sich über das wahrhaft internationale Projekt, denn die NASA vergab erstmals einen Auftrag für den Bau eines Satelliten ins Ausland. Die Erfahrungen der Potsdamer bei Konzeption und Betrieb von Kleinsatelliten waren der Grund für den Auftrag. Neben den Deutschen und US-Amerikanern sind auch die Russen beteiligt: Der Start erfolgte an Bord einer konvertierten SS 19-Rakete. Betrieb und Datenempfang von Tom und Jerry überwacht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Die Schwerkraft, die einen reifen Apfel vom Baum zum Erdboden fallen lässt, sorgt auch dafür, dass Satelliten auf ihrer Umlaufbahn um die Erde bleiben. Allerdings schwankt die Schwerebeschleunigung rund um den Globus leicht um den Wert 9,81 m/s2. Sie verringert sich zum Beispiel, je höher man auf einen Berg steigt. Vom Äquator zu den Polen nimmt die Erdanziehung auf Grund der Rotation der Erde immer stärker zu. Schließlich ändert sich die Schwerkraft auch in Abhängigkeit von den Gesteinen unter der Erdoberfläche: Sie steigt zum Beispiel im Gebiet der Granite im Erzgebirge und sinkt über den norddeutschen Salzstöcken.

Die regionalen Schwankungen der Erdanziehung wirken sich auf die Umlaufbahnen von Satelliten aus. Theoretisch müssten sie auf elliptischen Bahnen ihre Runden um den Globus drehen, in der Praxis aber bewegen sie sich etwas unregelmäßiger. „Wir berechnen daraus die Form der Erde und schließen aus den Entfernungsmessungen zu verschiedenen Satelliten, dass die Erde zahlreiche Beulen und Dellen besitzt“, sagt Prof. Christoph Reigber vom GFZ. Sie gleicht damit eher einer ungleichförmigen Kartoffel als einem formschönen Globus. An „Dellen“ wie in Südindien ist die Erdanziehung geringer als an „Beulen“ wie im Nordatlantik.

Die Beulen und Dellen bringen Forscher wie Reigber mit Vorgängen im Erdinnern in Verbindung. Sie deuten das Hoch im Nordatlantik und die isländischen Vulkane als Folge des Aufstiegs von heißem Gestein im Erdmantel. Dadurch wölbt sich der Meeresboden im Atlantik, der um rund 1000 m flacher ist als andere Weltmeere.

Zwar haben die Forscher in den vergangenen 20 Jahren das Erdschwerefeld bereits grob vermessen, doch mit herkömmlichen Satelliten waren sie an eine Grenze gekommen. Während die beiden GRACE-Satelliten (Gravity Recovery and Climate Experiment) in konstantem Abstand um den Globus hintereinander herfliegen, werden sie – zeitlich etwas versetzt – mal stärker und mal schwächer angezogen. Dadurch ändert sich die Entfernung zwischen den Satelliten geringfügig. „Neu und entscheidend ist, dass zwischen den beiden Satelliten eine Mikrowellenverbindung durch ein neuartiges Distanz-Messsystem besteht, mit der sich der gegenseitige Abstand bis auf einige tausendstel Millimeter genau bestimmen lässt – und das bei einem Abstand von rund 220 km der beiden Satelliten voneinander“, schwärmt Reigber.

In Verbindung mit der genauen Kenntnis der jeweiligen Satellitenposition, die mit Hilfe des Satellitennavigationssystems GPS ermittelt wird, geben die Messungen der Abstandsänderung Aufschluss über die räumliche Struktur des Erdschwerefelds in der jeweiligen Region. Durch die Genauigkeit der Messung wird es möglich sein, sogar kleinskalige Anomalien im Schwerkraftfeld zu messen und geringe Massenunterschiede zu erfassen. Bisherige Modelle des Schwerefelds lieferten eine Genauigkeit von etwa 40 cm bei einer horizontalen Auflösung von rund 500 km. Mit den Ergebnissen der GRACE-Mission wird sich die Genauigkeit bis auf eine Größenordnung von wenigen Millimetern bei einer Auflösung von etwa 200 km verbessern.

Die von Tom und Jerry übermittelten Daten will Reigber nicht nur zu einer Momentaufnahme der Erdanziehung verarbeiten. Da die Massenumverteilungen in der Atmosphäre, in den Ozeanen und im Erdinnern kontinuierlich ablaufen und mit den Instrumenten an Bord der GRACE-Mission sehr präzise erfasst werden können, wollen die Experten für die Zeit der Mission Monat für Monat ein Schwerefeldmodell errechnen. Daraus sollen in den kommenden fünf Jahren erstmals Massenbewegungen wie die Verlagerung von Meeresströmungen und das Abschmelzen der Eiskappen an den Polen abgeleitet werden. H. WÜSTEFELD

www.dlr.de/grace

Tom und Jerry

Mess-Systeme
im Doppelpack

„Tom und Jerry“ umrunden die Erde in einer Höhe von 500 km alle 95 Minuten einmal. Beide Satelliten sind mit je fünf Mess-Systemen ausgerüstet. Herzstück bildet das hochpräzise Distanz-Messsytem HAIRS, das Bahnabweichungen berechnet und den Abstand zwischen den beiden Satelliten konstant auf 220 km hält. Je ein GPS-Empfänger dient zur Ortung der Position und zwei Sternensensoren zur Bestimmung der Satellitenlage. Mit den Laser-Retroreflektoren an Bord wollen die Potsdamer Forscher die Entfernung der beiden GRACE-Satelliten von der Erde auf wenige Millimeter genau überwachen und die Satellitenbahnen unabhängig von GPS-Daten bestimmen. Die Beschleunigungsmesser dienen zur Korrektur von Störbeschleunigungen durch die Restatmosphäre und die Sonneneinstrahlung. hw

 

Ein Beitrag von:

  • Holger Wüstefeld

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