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GeoWerkstatt-Projekt des Monats Juli 2019 - Weltraumbasierte Beobachtung von Massenänderungen des Systems Erde

Weltraumbasierte Beobachtung von Massenänderungen des Systems Erde

GeoWerkstatt-Projekt des Monats Juli 2019

Projekt: Weltraumbasierte Beobachtung von Massenänderungen des Systems Erde

Forschende: M.Sc. Igor Koch, Prof. Dr.-Ing. Jakob Flury, Dr.-Ing. Akbar Shabanloui

Projektidee: Bestimmung des zeitvariablen Erdschwerefeldes aus dem Weltall mittels Satellitendaten der Mission GRACE Follow-On, um Aussagen über den Eismassenverlust und den globalen Wasserkreislauf zu machen

Blick aus dem All: Wie schmilzt das Eis an den Polen? Wie ändert sich der Meeresspiegel auf der Erde?

50 Jahre nachdem zum ersten Mal Menschen vom Mond aus auf unseren blauen Planeten blickten, umkreisen zahlreiche künstliche Satelliten die Erde. Einige von ihnen sind Forschungssatelliten, die die Erde beobachten und vermessen. Zu diesen Satellitenmissionen zählen auch GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment, 2002-2017) und deren Nachfolgemission GRACE Follow-On (seit 2018). Sie bestehen jeweils aus zwei Satelliten, die etwa 220 km voneinander entfernt gemeinsam um die Erde kreisen. Der Clou dabei: Die Bewegung der Satelliten wird unter anderem von Luftmassen, Eismassen, Wassermassen und Massen der festen Erde abgelenkt. Weil diese Massen auf der Erde nicht gleichmäßig verteilt sind und sich mit der Zeit ändern, ändert sich die Bahn der Satelliten auch jeweils ein bisschen. Mit speziellen Messverfahren und Berechnungen können Geodäten aus diesen Ablenkungen der Satellitenbahnen bestimmen, wie zum Beispiel die Eismassen an den Polen schmelzen und wie sich dadurch der Meeresspiegel ändert.

Bei GRACE und GRACE Follow-On wird die Satellitenbahn mittels GPS zentimetergenau bestimmt. Das Hauptinstrument ist jedoch ein Mikrowelleninterferometer, das den relativen Abstand der Satelliten mit einer Präzision im Mikrometerbereich misst. Seit GRACE Follow-On dient die noch genauere Laserinterferometrie als zusätzliches Verfahren zur Beobachtung der Satellitenbahn. Mit Hilfe weiterer Sensordaten, unter anderem von Sternkameras und Akzelerometern, ist es möglich mittels dynamischer Satellitenbahnbestimmung das globale Schwerepotential der Erde zu bestimmen, welches die Massenverteilungen auf der Erde wiederspiegelt.

Zentrale Aspekte der Schwerefeldbestimmung und Forschungsgegenstand dieses Projektes am Institut für Erdmessung sind die Sensorfusion, die Modellierung von verschiedenen Störkräften, die numerische Integration der Satellitenbewegung, die Anpassung von modellierten Satellitenbahnen an Beobachtungen durch iterative Schätzverfahren, sowie die Parametrisierung der Satellitenbewegung.

In Abbildung 1 sieht man die aus den Änderungen des Schwerepotentials abgeleitete Größe EWH (Equivalent Water Height), aus welcher Massenveränderungen bestimmt werden können. Durch eine genauere Betrachtung solcher Schwerefeldlösungen über mehrere Jahre lassen sich Massentransporte im Erdsystem (z.B. Transporte von den Eisschilden in die Ozeane) quantifizieren. Zu erkennen sind beispielsweise saisonale Massenänderungen (z.B. in Südamerika und Zentralafrika), Eismassenverluste (z.B. in Grönland und Westantarktis), Abnahmen des Grundwassers in Nordindien und Landhebungen in Nordost-Kanada und Skandinavien.

Abbildung 1: Aus GRACE Follow-On berechnete Massenanomalien (Equivalent Water Height in Metern) für Januar 2019 relativ zu einem langjährigen Mittelwert. Blau: Massenzunahme, Gelb: Massenabnahme.