„Wichtig für die Beobachtung des Klimawandels“

Seit Mai 2018 umkreisen die beiden Satelliten der Mission GRACE Follow-On die Erde und vermessen die Anziehungskraft des Planeten mit hoher Präzision. Inzwischen haben die beteiligten Wissenschaftler die ersten Karten des Erdschwerefelds veröffentlicht. Darauf lassen sich unter anderem die Folgen des Klimawandels erkennen. Im Interview berichtet Gerhard Heinzel vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, wie die Messungen ablaufen und welche Ziele er und seine Kollegen mit der Mission verfolgen.

Wie lässt sich die Massenverteilung auf der Erde mit den beiden Satelliten bestimmen?

Gerhard Heinzel: Das Duo fliegt ähnlich wie die Internationale Raumstation in einem niedrigen Orbit – in einer Höhe von rund 490 Kilometern umrundet es die Erde alle 90 Minuten einmal. Die Bahn führt über die Pole, sodass die Satelliten im Lauf der Zeit den gesamten Globus überstreifen. Befindet sich nun an einer Stelle der Erde mehr Masse, wird der erste Satellit kurzfristig ein bisschen stärker angezogen und fliegt deshalb etwas schneller als der nachfolgende. Dieser Unterschied ist zwar sehr klein, aber wir können ihn mithilfe hochpräziser Instrumente messen.

Gerhard Heinzel

Wie stellen Sie das an?

Was vielleicht überrascht: Zur Bestimmung des Schwerefeldes müssen wir den Abstand der beiden Satelliten von rund 220 Kilometern gar nicht exakt kennen. Den können wir per GPS grob auf einige Zentimeter bestimmen. Entscheidend für die Schwerkraftmessung ist nur, wie sich der Abstand zwischen diesem Tandem ändert – und das lässt sich mithilfe von Mikrowellen auf weniger als Haaresbreite bestimmen. Auf diesen Daten basierend erstellen Wissenschaftler dann monatlich eine „Schwerekarte“ der Erde, auf der die Massenverteilung zu sehen ist. Wenn sich diese ändert, können wir das im Monatsrhythmus verfolgen.

Warum dauert es jeweils einen Monat, um eine neue Karte zu erstellen?

Um verlässliche Daten liefern zu können, müssen die Satelliten ein Gebiet dicht abdecken. Manchmal muss eine Messung auch unterbrochen werden – etwa wenn die Satelliten ein Ausweichmanöver fliegen, um Weltraumschrott aus dem Weg zu gehen. Dies beeinträchtigt aber kaum die Daten.

Was verraten solche Karten über die klimatischen Entwicklungen auf der Erde?

Wir können beispielsweise riesige Eismassenverluste der grönländischen Eisdecke nachweisen, ebenso wie die anhaltende Dürre in Deutschland und anderen europäischen Ländern im Sommer des letzten Jahres. In Nordindien ist die Lage besonders prekär: Dort fällt der Spiegel des Grundwasser dramatisch ab – um rund dreißig Zentimeter pro Jahr. Auch diesen Masseverlust können wir aus dem All bestätigen. Der Zusammenhang dieser Verschiebungen von Wasser- und Eismassen ließ sich bisher zwar lokal beobachten, aber nicht ganzjährig über den gesamten Globus.

Lässt sich mit den Satelliten auch der steigende Meeresspiegel beobachten?

Ergänzend zu anderen Messungen – wie etwa von Temperatur und Salzgehalt des Wassers – steuert GRACE Follow-On anhand der Massenmessung die Gesamtmenge an Wasser bei. Das ist ein entscheidender Parameter zum Verständnis der klimatischen Systeme und wichtig für die Beobachtung des Klimawandels.

Gibt es abgesehen von Wasser- und Eismassen auch andere Faktoren, die sich auf die Massenbilanz der Erde auswirken?

Ja, teilweise sogar erhebliche. Größere Erdbeben gehen zum Beispiel immer mit einer Verschiebung von Gesteinsmassen einher. Die Folgen des schweren Erdbebens vor Sumatra im Jahr 2004 – das einen verheerenden Tsunami mit über 200 000 Toten auslöste – ließen sich ganz klar in den Daten der Vorläufermission GRACE erkennen. Leider taugen solche Satellitendaten nicht zur Vorwarnung. Denn die langsam steigenden Spannungen im Untergrund vor einem solchen Beben können wir damit nicht beobachten.

Die Vorgängermission GRACE war sowohl von der Zielsetzung als auch von der Technik her sehr ähnlich – was ist jetzt neu?

An Bord von GRACE Follow-On haben wir erstmals ein neues Laserinterferometer eingebaut. Mit diesem Instrument können wir Abstandsänderungen von ungefähr einer Atombreite messen – also noch viel präziser als mit Mikrowellen. Zugleich ist das eine Technologiedemonstration, denn eine solche Technologie wurde noch nie in einem Satellitenduo eingesetzt.

Laser Interferometer Space Antenna

Warum nicht – wo liegen die Herausforderungen?

Einerseits muss die Laserfrequenz extrem stabil bleiben – egal ob die Satelliten gerade auf der Tag- oder auf der Nachtseite der Erde unterwegs sind. Dafür ist das Lasersystem mehrfach abgeschirmt und besteht aus sehr stabilen Komponenten. Und ich bin selbst überrascht, wie präzise die Lagekontrolle funktioniert. Die Satelliten sind zwar relativ stabil, wackeln aber in der dünnen Hochatmosphäre immer wieder ein bisschen. Deshalb justiert ein Kippspiegel den Laserstrahl zwischen beiden Satelliten kontinuierlich genau nach. Bei tausend Orbits hatten wir keine einzige Unterbrechung. Dabei flitzen die Satelliten mit sieben Kilometern pro Sekunde um die Erde. In einigen Jahren soll diese Technologie dann auch für das Gravitationswellenobservatorium LISA eingesetzt werden – die Satelliten sind hier allerdings jeweils rund 2,5 Millionen Kilometer voneinander entfernt. Die nötige Laserstabilität erreichen wir aber im Prinzip heute schon mit GRACE Follow-On.