Gravity Recovery And Climate Experiment

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GRACE
GRACE
Typ: Forschungssatellit
Land: Vereinigte StaatenVereinigte Staaten Vereinigte Staaten/DeutschlandDeutschland Deutschland
Betreiber: National Aeronautics and Space AdministrationNASA NASA/Deutsches Zentrum für Luft- und RaumfahrtDLR DLR
COSPAR-Bezeichnung: 2002-012A/B
Missionsdaten
Start: 17. März 2002
Startplatz: Plessezk
Trägerrakete: Rokot
Status: aktiv
Bahndaten
Umlaufzeit: 94,5 min
Bahnhöhe: 450-500 km
Bahnneigung: 89°
Exzentrizität: 0,0018185786

Der Doppelsatellit Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) ist ein Projekt zur genauen Bestimmung des Erdschwerefeldes in einer niedrigen Umlaufbahn. Die GRACE-Satelliten stehen in der Nachfolge der Vorgängermission CHAMP, die im Jahr 2000 gestartet wurde. Sie basieren auf dem von Astrium entwickelten Flexbus-Konzept, das eine relativ kostengünstige und schnelle Fertigung der Satelliten ermöglicht.

Mission[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Modell des Kleinsatelliten GRACE im Maßstab 1:20, GeoForschungsZentrum

Die Satelliten wurden am 17. März 2002 mit einer Rokot-Rakete von Plessezk (Nordrussland) aus in eine nahezu polare und zirkulare Umlaufbahn mit einer Inklination von 89° und einer Anfangshöhe von 500 km gestartet. Die Satelliten arbeiten nach dem SST-Prinzip (Satellite-to-Satellite Tracking): sie umrunden die Erde auf derselben (genauer: korrelierten) Umlaufbahn in etwa 200 km Abstand und messen mit Mikrowellen kontinuierlich die gegenseitige Distanz. Dadurch lassen sich Unregelmäßigkeiten des Schwerefeldes mit hoher Präzision analysieren, obwohl die Schwereanomalien in einigen hundert Kilometern Höhe schon deutlich schwächer sind als an der Erdoberfläche.

Wenn sich der erste Satellit beispielsweise einer Region mit erhöhter Schwerkraft annähert, wird er dadurch geringfügig beschleunigt (im Vergleich zu einer ungestörten Bahn) und der Abstand der beiden vergrößert sich. Gelangt der zweite Satellit an diese Stelle und erfährt nun seinerseits die Akzeleration, verringert sich die Distanz der beiden wieder in typischer Weise. Aufgrund dieses quasi gegenseitigen Verfolgens, aber nie Einholens erhielten die Satelliten die Spitznamen „Tom“ und „Jerry“.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Projekt wurde vom DLR und dem NASA/JPL in Kooperation entwickelt und verspricht in einigen Jahren eine Kenntnis des globalen Geoids auf etwa einen Zentimeter – etwa fünf- bis zehnmal genauer als mit bisherigen Methoden der Satellitengeodäsie. Allerdings ist die räumliche Auflösung durch die Flughöhe von etwa 470 km auf etwa 150 km beschränkt, sodass sich Flug- und terrestrische Gravimetrie bzw. die astrogeodätische Geoidbestimmung noch nicht erübrigen. Zusammen mit letzteren könnte das Geoid in einigen Jahren auch regional/ lokal auf Zentimetergenauigkeit ermittelt werden; dies wäre notwendig, um das geowissenschaftliche Potenzial von dGPS voll zu nutzen.

Die beiden Satelliten waren für eine Lebensdauer von fünf Jahren ausgelegt. Nach über zehn Jahren in der Umlaufbahn altern jedoch die Bauteile, so können die Satelliten beispielsweise auf der Nachtseite der Erde keine Daten mehr aufnehmen, weil ohne Sonneneinstrahlung die Batterien dazu nicht genügend Energie liefern.[1]

Daten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dreidimensionales Modell der Potsdamer Kartoffel (2017), GeoForschungsZentrum

Die wissenschaftliche Auswertung erfolgt am CSR (Center for Space Research[2]) der Universität Texas sowie am GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Bekannt wurde die Visualisierung der Schwerefeld-Anomalie der Erde durch das GFZ als „Potsdamer Kartoffel“, wobei hier noch Daten anderer Satelliten und terrestrische Messdaten einfliessen. Da die Anomalien aus didaktischen Gründen gegenüber der Globus- oder Ellipsendarstellung der Erde stark übertrieben sind, erinnert dieses Erdmodell mit seinen Beulen und Dellen an eine Kartoffel.

GRACE ermöglicht es auch, aus den angesammelten Messdaten Änderungen des Geoids mit hoher Präzision festzustellen. Dadurch kommen neue Aspekte der Geodynamik und unabhängige Untersuchungsmethoden für Ozeanografie und evtl. Klimawandel ins Visier der Wissenschaftler. Ein Vergleich der Daten mit denen des im März 2009 gestarteten Gradiometrie-Satelliten GOCE ist in Arbeit.

Die Messdaten von GRACE wiesen nach, dass sich die Antarktis-Eismasse innerhalb von 3 Jahren um ca. 150 km³ verringert hat, was einem Anstieg des Meeresspiegels um 0,4 mm pro Jahr entspricht. Auch konnten Mengenänderungen des Grundwassers bestimmt werden. Weiterhin stellt GRACE kontinuierlich seit Mai 2006 präzise Informationen über globale Temperatur- und Wasserdampfverteilungen bereit. Diese werden mit der innovativen GPS-Radiookkultationsmethode zur Atmosphärenfernerkundung in Analogie zu den CHAMP-Messungen ermittelt.

Ferner werden die Daten nochmals analysiert von einer QUEST genannten Kooperation mehrerer Institute der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, dem Laser Zentrum Hannover, dem GEO600, der PTB Braunschweig und dem Bremer ZARM mit den Zielen, die Modelle weiterzuentwickeln und Fehlsignale zu minimieren.[3]

GRACE-FO[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Reflexionsprisma (Carl Zeiss Jena (2016)) für die GRACE-FO-Mission, GeoForschungsZentrum

Eine Nachfolgemission „GRACE Follow-On“ (GRACE-FO) ist in Planung und wird neben der Mikrowellen-Messung zusätzlich die Abstandsänderungen der Satelliten laser-interferometrisch vermessen. Die Fertigung der beiden Satelliten, von denen der erste im Dezember 2017 oder Januar 2018 starten soll,[4] erfolgt bei Astrium.[5] Sie soolen die Erde in 500 km Höhe im Abstand von 220 km voneinander umkreisen. Instrumenteller Kern ist ein Messinstrument im Mikrowellenbereich K. Zugleich dient dient das Laser-Interferometer des GRACE-FO der Technologiedemonstration für eLISA. Kooperationspartner sind in diesem Projekt das Albert-Einstein-Institut Hannover, das Beiträge zum Laserinterferometer liefert, das Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum, das u.a. ermittelte Daten auswertet, und die NASA, deren Jet Propulsion Laboratory koordinierende Aufgaben hat und die Umsetzung des Projekts am Goddard Space Flight Center überwacht.[6][7][8]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Gravity Recovery And Climate Experiment – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Fußnoten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Stephen Clark: NASA procures satellites for new gravity mission. Spaceflight Now, 2. Dezember 2012, abgerufen am 3. Dezember 2012 (englisch).
  2. Homepage
  3. The institute of geodesy in the cluster of excellence QUEST
  4. NASA: First GRACE Follow-On Satellite Completes Construction. 14. November 2016, abgerufen am 18. November 2016 (englisch).
  5. Astrium baut zwei neue Forschungssatelliten für NASA. Astrium, 29. November 2012, abgerufen am 3. Dezember 2012.
  6. Grace Follow-On
  7. Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On (GRACE-FO) Mission
  8. First GRACE Follow-On Satellite Completes Construction