Daten der Natur, Natur der Daten

Mission auf Erfolgskurs

21. September 2020 Schwerefeld der Erde

Stolz – und fast schon ungläubig – schaut Frank Flechtner von der Sektion Globales Geomonitoring
und Schwerefeld am Deutschen Geo-ForschungsZentrum (GFZ) auf die Entwicklung der vergangenen 40 Jahre zurück. Als er 1979 anfing, Geodäsie zu studieren, spielten in seinem Alltag Nanometer keine Rolle. Damals lernten die Studentinnen und Studenten, Objekte im Zentimeterbereich zu vermessen. Die Daten ließen sich noch auf Floppy-Discs speichern, die Speicherkapazität lag bei überschaubaren 1,4 Megabyte.

220 Kilometer voneinander entfernt liegen die Zwillingssatelliten, die Frank Flechtner vom Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam begleitet. Seine Forschungsgruppe NEROGRAV sucht nach neuen und optimierten Auswertungsmethoden und Modellierungsansä

Heute muss der Professor für Physikalische Geodäsie an der Technischen Universität Berlin angesichts solcher „Datenmassen schmunzeln: „Unglaublich, was sich in den Jahrzehnten getan hat!“ Dass er einmal den Abstand zwischen zwei Satelliten auf den Bruchteil eines Millimeters genau messen würde, damit hatte er Ende der 1970er-Jahre jedenfalls nicht gerechnet. „Das ist unterhalb der Größe eines Hepatitis-B-Virus auf einer Strecke von etwa 220 Kilometern.“

Rund 220 Kilometer voneinander entfernt liegen auch die Zwillingssatelliten, die Flechtner im Zuge der Satellitenmission „Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)“ und des Nachfolgeprojekts „GRACE Follow-on (GRACE-FO)“ begleitet. Das GRACE-Duo umkreiste die Erde von 2002 bis 2017, im Mai 2018 startete Nachfolger GRACE-FO ins All. Die Zwillingssatelliten liefern Daten, die das Schwerefeld der Erde mitsamt seinen zeitlichen Variationen beschreiben – und die Massenverteilung und den Massentransport im System Erde besser verstehen helfen. „Die Messungen haben gezeigt, wie im Lauf der Zeit Wasser, Eis und festes Material auf der Erde bewegt werden. Diese Daten helfen uns, beispielsweise Veränderungen des Grundwassers oder den Gletscherschwund genau zu dokumentieren.“ Auch dessen Einfluss auf den Meeresspiegelanstieg
lässt sich dank der GRACE-Messungen aufdecken.

„Je nachdem, ob die Satelliten über Berge, Meere oder auch feuchte und trockene Gebiete fliegen, werden sie unterschiedlich stark vom Schwerefeld der Erde angezogen“, erklärt Flechtner.  Veränderungen der Distanz zwischen den Zwillingssatelliten ermöglichen den Forscherinnen
und Forschern Rückschlüsse auf den Untergrund. Der Abstand der beiden zueinander lässt sich auch in 490 Kilometern Höhe auf die oben beschriebene „Virusgröße“ genau messen.
Dazu wird auf GRACE-FO ein neuartiges „Laser Ranging Interferometer (LRI)“ verwendet, das gegenüber der Mikrowellenmessung auf GRACE noch einmal deutlich genauer ist.

So ergab die mehr als 15 Jahre umfassende Zeitreihe von monatlichen Schwerefeldmodellen  bahnbrechende Erkenntnisse für geodynamische undklimarelevante Prozesse. Beispielsweise hat sie gezeigt, dass in Grönland pro Jahr rund 270 Milliarden Tonnen Eis verloren gehen: Das ist sehr viel mehr als bis dato angenommen.

Trotz des großen Erfolgs stand für die beteiligten Forscherinnen und Forscher immer außer Frage, dass es noch besser und genauer geht. „Die Daten, mit denen wir rechnen, sind ja nicht fehlerfrei“, sagt Flechtner. „Deshalb ist es wichtig, das Verhalten der  Instrumente besser zu verstehen und die Hintergrund- und Korrekturmodelle stetig zu verbessern.“ Neue und optimierte Auswertungsmethoden und Modellierungsansätze stehen deshalb im Mittelpunkt der Forschungsgruppe „New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity
Missions (NEROGRAV)“, die mit lechtner als ihrem Sprecher 2019 ihre Arbeit aufgenommen hat.
Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass nur durch ein besseres Verständnis und eine gleichzeitige Verbesserung der benutzten Sensordaten sowie der Hintergrundmodelle und Prozessierungsstrategien die fachlich hohen Anforderungen an Genauigkeit, Auflösung und Konsistenz erfüllt werden können. Sechs Projekte sollen nicht nur die  Fehlerabschätzung von geophysikalischen Hintergrundmodellen und die raumzeitliche Parametrisierung verbessern helfen, sondern die Ergebnisse und Empfehlungen unter anderem auch
für zukünftige Satellitenmissionen nutzbar machen. Schon jetzt arbeiten Flechtner und sein Team hierfür an neuen Konzepten.