GRACE: Tom und Jerry vor dem Start

Satellitentandem GRACE: Tom und Jerry vor dem Start
Hochpräzise Vermessung der Erde zum besseren Verständnis der Klima-Akteure

Das Satellitenpaar GRACE startet am 16. 03. um 10:23 MEZ vom russischen Startort Plesetzk zu einer geowissenschaftlichen Raumfahrtmission. Ziel ist die Vermessung der Erdanziehungskraft mit bisher unerreichter Genauigkeit. Die GRACE-Mission durchleuchtet zudem die Atmosphäre und gibt Auskunft über ihre vertikale Temperaturverteilung und den globalen Wasserdampfgehalt der Luft.
GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) sind zwei baugleiche Satelliten, die in etwa 220 Kilometern Abstand hintereinander herfliegen. Deshalb tauften die beteiligten Ingenieure das Satellitentandem inoffiziell „Tom und Jerry“. GRACE ist die erste Mission im NASA „Earth Science System Program“ (ESSP). Mit GRACE geht das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) in seine dritte Satellitenmission.
Die beiden GRACE-Satelliten sind je 490 Kilogramm schwer, fliegen in 500 Kilimeter Höhe und umrunden die Erde in etwa 95 Minuten.

Erdanziehung und Messung

Die Massenverteilung im Erdkörper und auf der Oberfläche unseres Planeten ist nicht überall gleich. Im Erdinneren wälzen sich glutflüssige Gesteinsmassen, Wassermassen werden in den Ozeanen und auf den Kontinenten bewegt, und auch die Luftmassen sind in ruheloser Bewegung. Da die Anziehungskraft eines Körpers von seiner Masse abhängt, bedingt die ungleiche Massenverteilung unseres Planeten ein ungleichförmiges Feld der Gravitation. Die hintereinander fliegenden GRACE-Satelliten werden daher, zeitlich etwas versetzt, mal stärker und mal schwächer angezogen. In der Distanz zwischen den Satelliten zeigt sich dies in einer kleinen Entfernungsänderung.
Durch die hochpräzise, kontinuierliche Bestimmung der Distanzänderung können auch geringe Massenunterschiede erfasst werden. Dazu benutzt GRACE ein bisher einzigartig präzises Mikrowellenverfahrens, das die Änderung des Abstandes der beiden Satelliten auf einige tausendstel Millimeter genau misst – bei einem Abstand von rund 220 Kilometern der beiden Satelliten voneinander!

Wasser, der große Akteur im Klima

Durch die extreme Genauigkeit der Abstandsmessung wird es möglich sein, über einen Zeitraum von etwa fünf Jahren jeden Monat das Schwerefeld der Erde neu zu kartieren (das „GR“ im Missionsnamen: Gravity Recovery). Aus seinen zeitlichen Änderungen leiten Geowissenschaftler neue Erkenntnisse über dynamische Vorgänge im Erdinnern, über die Umlagerung der Wassermassen in den Ozeanen und über die Veränderung der Eisbedeckung an den Polen und auf Grönland. Mit der GRACE-Mission wird erstmals im Detail beobachtet, welche Mengen an Wasser, Eis und Materie in Bewegung sind. Damit kann einerseits ein vollkommen neues Bild über die dynamischen Vorgänge in und auf der Erde erhalten werden. Auf der anderen Seite dienen diese Größen ganz wesentlich zur Beschreibung der Wasser-Austauschprozesse zwischen Land, Ozean und Atmosphäre und sind damit wichtige Eingangsgrößen für die Klimamodellierung (das „ACE“ im Missionsnamen: And Climate Experiment). Hierzu tragen auch die zusätzlich gewonnenen vertikalen Temperatur- und Feuchteprofile durch den Empfang der Signale von GPS-Satelliten an etwa 500 global verteilten Messpunkten bei. Die Sondierung der Atmosphäre wird durch eine spezielle Interpretation der Veränderung von GPS-Signalen in der Luftschicht der Erde möglich. Hier wird ausgenutzt, dass die Funksignale der GPS-Satelliten durch die temperatur- und feuchtebedingte Dichteänderungender Atmosphäre unterschiedlich stark gebrochen werden.

Instrumente auf GRACE

Wie bei der Vorgängermission CHAMP ist jeder der beiden Satelliten mit einem GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung, einem – im Vergleich zu CHAMP zehn mal genaueren – Beschleunigungsmesser zur Korrektur von Störbeschleunigungen durch die Restatmosphäre und die Sonneneinstrahlung sowie zwei Sternensensoren zur Bestim-mung der Satellitenlage ausgerüstet. Herzstück der Instrumentierung ist aber das vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) neu entwickelte ultrapräzise Distanzmesssytem HAIRS.
Zur Komplettierung der Instrumente hat das GeoForschungsZentrum Potsdam einen Laser-Retroreflektor für beide Satelliten gefertigt und beigestellt, der bereits sehr erfolgreich auf CHAMP im Einsatz ist. Damit können die Entfernung zu beiden GRACE-Satelliten von der Erde auf wenige Millimeter bestimmt und die auf der Basis von GPS-Daten errechneten Satellitenbahnen unabhängig überprüft werden.

GRACE: internationale Kooperation zur Klärung globaler Umweltfragen
GRACE ist ein direkter Nachfolger des zweiten Satelliten des GFZ Potsdam, CHAMP, und stellt ein Paradebeispiel internationaler Kooperation in den Geowissenschaften dar. Das Satelliten-Tandem GRACE ist ein Gemeinschaftsprojekt der amerika-nischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das DLR-Raumfahrt-Kontrollzentrum ist für den Satellitenbetrieb und Datenempfang verantwortlich. Das Missionsmanagement liegt bei NASA/JPL. Gebaut wurden die beiden Satelliten von der Firma Astrium GmbH in Friedrichshafen. Der Transport in die Erdumlaufbahn wird von dem deutsch-russischen Unternehmen Eurockot durchgeführt. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgt durch das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam und das Center for Space Research (CSR) an der Texas University in Austin. Für die wissenschaftliche Lenkung des Satellitenprojekts am GFZ Potsdam ist bei Prof. Christoph Reigber zuständig, der zugleich das europäischen Wissenschaftlerteams leitet.