Global wirksame Prozesse wie Plattentektonik, Meeresströmungen und Wärmehaushalt der Erde stehen in engem Zusammenhang mit dem globalen Gravitationsfeld. Seit März 2009 umkreist der ESA-Satellit GOCE die Erde, um das globale Gravitationsfeld in hoher Auflösung zu vermessen. Die Auswertung der Daten erfolgt an der TU Graz mit Unterstützung durch das Institut für Weltraumforschung (IWF) der ÖAW. Die Erde ist eine Kugel. Das war lange Zeit eine revolutionäre Erkenntnis. Dann musste nachgebessert werden: Die Erde ist eher ein Ellipsoid. Damit erhielt man verlässlichere und besser vergleichbare Positionsangaben. Das mathematisch-physikalisch definierte Modell der Erde wurde jedoch erst vor etwa 130 Jahren geschaffen, indem man in die Berechnung die Schwerebeschleunigung einfließen ließ. Und seither wird die Erde durch das Geoid als Fläche konstanten Schwerepotenzials im mittleren Meeresniveau mathematisch beschrieben. Die Herausforderung dabei: Das Geoid repräsentiert das globale Schwerefeld mit allen seinen Unregelmäßigkeiten und kann nur durch eine sehr große Anzahl an Parametern hinreichend detailliert beschrieben werden. Um diese Parameter zu bestimmen, benötigt man die Kenntnis der Anziehungskraft (Schwerebeschleunigung) streng genommen an jedem Ort der Erde. Die Gesamtheit dieser Daten würde das globale Schwerefeld beschreiben und könnte so für die detaillierte Kartierung des Geoids herangezogen werden. Das Schwerefeld steht darüber hinaus nicht nur mit der Gestalt der Erde, sondern auch mit deren innerem Aufbau in einem direkten, allerdings keineswegs einfachen Zusammenhang. Distanz ist vorteilhaft Konkrete Ideen für ein Satellitensystem, das die Variation im Gravitationsfeld misst (Schwerkraft-Gradiometer) haben eine lange Geschichte, die mit Hans Sünkel, Wissenschafter der ÖAW und derzeitiger Rektor der TU Graz, verbunden ist. Nach umfangreichen Machbarkeitsstudien beschloss die ESA vor etwa zehn Jahren den Bau eines entsprechenden Satelliten für die GOCE - Mission (Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Explorer). Ein fünf Meter langer Satellit, dessen Herzstück de facto die räumliche Krümmung des Gravitationsfeldes der Erde äußerst präzise misst, umkreist seit März 2009 20 Monate lang die Erde in 250 km Höhe. Mittels GPS-Ortung (aus etwa 20.200 km Höhe), fallweise unterstützt durch Satelliten-Laser-Ortung vom Boden aus, wird zusätzlich die Bahn des Satelliten auf wenige Zentimeter genau bestimmt. Der Satellit umkreist die Erde alle 90 Minuten in Bahnen, die aufgrund der Erdrotation zueinander versetzt sind, sodass im Rhythmus von zwei Monaten jeweils die gesamte Erde abgedeckt wird. Die Grazer Forscher(innen) sind Teil eines Konsortiums aus zehn europäischen Universitäts- und Forschungsinstituten. Die TU Graz, wo Hans Sünkel vor seiner Rektorsfunktion als Professor lehrte, unterstützt durch das Institut für Weltraumforschung, an dem er die Abteilung für Satellitengeodäsie leitet, ist an der Auswertung der immensen Datenfülle des GOCE-Satelliten federführend beteiligt. Darüber hinaus sind an der Mission 45 Industriepartner beteiligt. Von Daten zur Information Der GOCE-Satellit sendet via Mikrowellenverbindung Daten nach Kiruna in Nordschweden. Diese werden im italienischen Frascati vorverarbeitet und kalibriert und am Server in Utrecht gespeichert. Von dort beziehen auch die Grazer Wissenschafter(innen) die Daten zur weiteren Verarbeitung. Im Zuge der Auswertung werden schließlich aus Hunderten Millionen Daten etwa 70.000 Schwerefeld-Parameter berechnet. Außerdem fließen alle relevanten Vorinformationen, die über das Gravitationsfeld der Erde zur Verfügung stehen, in die Auswertung ein. Obwohl der Satellit bereits seit März die Erde umkreist, hat die operative Phase erst vor kurzem begonnen. Noch ist es zu früh, um über konkrete Ergebnisse zu berichten, weil der Satellit seine operative Phase ja gerade erst begonnen hat. Die Erwartungshaltung der Wissenschafter(innen) ist jedoch jetzt bereits hoch. Der Blick aufs Ganze Die genaue Kenntnis des Schwerefeldes der Erde ist für die Geodäsie, Geophysik und Ozeanographie von besonderer Bedeutung. Die wesentlichen Ursachen für die globalen Variationen der Anziehungskraft der Erde (Erdbeschleunigung) sind die Abplattung der Erde, die zu einer unterschiedlich starken Anziehungskraft am Äquator und an den Polen führt, die variablen Massendichteverhältnisse innerhalb der Erde und die Unregelmäßigkeit der Topographie. So kann man etwa aus dem Schwerefeld in Kombination mit den gemessenen Laufzeiten von Erdbebenwellen gleichsam einen Blick in das Erdinnere tun. Mit GOCE-Daten werden sich aber auch Meeresströmungen exakter bestimmen lassen, die zum globalen Wärmehaushalt in erheblichem Ausmaß beitragen. Das neue Wissen über das Schwerefeld wird darüber hinaus in den Bereich des großräumigen Vermessungswesens Eingang finden, weil man in Zukunft Höhen weltweit viel genauer angeben wird können. Und schließlich werden aufbauend auf GOCE und den thematisch verwandten Schwerefeldmissionen GRACE und CHAMP die Massenbewegungen im oberen Erdmantel besser erkannt werden können. Sie sind es, die die Bewegung der Platten der Erdkruste antreiben und letztendlich auch für Erdbeben verantwortlich sind. Kontakt: Prof. Dr. Hans Sünkel Institut für Weltraumforschung Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) T +43 316 4120-700 hans.suenkel@oeaw.ac.at http://www.iwf.oeaw.ac.at Dezember 2009
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