Forschungssonde : Die Beulen der Erde

„Goce“ soll das Schwerefeld der Erde vermessen - hundertmal genauer als das bislang möglich war. Wissenschaftler erhoffen sich davon bessere Daten für Klimamodelle.

Ralf Nestler
263011_3_xio-fcmsimage-20090311161250-006000-49b7d4f2a3ab1.heprodimagesfotos87120090311c2_goce_esa.jpg

Regentropfen, Kugelschreiber, und manchmal auch ein frisch bestrichenes Marmeladenbrot – jeder Gegenstand fällt nach unten. Aber nicht überall auf der Erde geschieht das gleich schnell. Der Grund dafür ist die Gravitationskraft. Wie stark sie ist, hängt einerseits von der Entfernung zweier Massen ab. Da spielt es schon eine Rolle, ob der Stift einem Polar- oder Urwaldforscher aus der Hand gleitet: Aufgrund der Rotation der Erde werden die Pole flach und das Land am Äquator nach außen gedrückt. Im Vergleich zur idealen Kugel beträgt die Abweichung immerhin 21 Kilometer.

Der dick eingepackte Arktisforscher mit klammen Fingern muss deshalb schneller reagieren als sein Kollege im Regenwald. Außerdem ist entscheidend, was sich zwischen dem Fußboden der Forschungsstation und dem Erdmittelpunkt befindet. Sind es Gesteine mit hoher Dichte, ist mehr Masse vorhanden – die Gravitationskraft ist größer und der Stift fällt schneller.

Am Montag will die europäische Raumfahrtagentur Esa eine Forschungssonde starten, mit der die Gravitationskräfte auf der gesamten Erdoberfläche rund hundertmal genauer bestimmt werden können als es bislang möglich war. Das Schwerefeld, das die Forscher erhalten, kann ihnen die Arbeit wesentlich erleichtern. „Mithilfe von Gravitationsdaten kann man beispielsweise Lagerstätten von Erz, Öl und Gas finden“, sagt Jürgen Kusche. Der Geodät, der künftig an der Universität Bonn forscht, arbeitete bisher am Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ), das an der Entwicklung der Sonde beteiligt war und zu den wichtigsten Abnehmern der Messdaten zählen wird. „Wir wollen damit aber vor allem Meeresströmungen erforschen, um die Klimamodelle zu verbessern.“

Die Sonde namens „Goce“ (Gravity Field and Steady-State-Ocean Circulation Explorer) wurde von einem europäischen Industriekonsortium gebaut, an dem die deutsche Firma EADS Astrium maßgeblich beteiligt war. Bau und Entwicklung haben rund 300 Millionen Euro gekostet. Goce soll an Bord einer Trägerrakete vom nordrussischen Raumfahrtbahnhof Plesetsk abheben und künftig in einer Höhe von 250 Kilometern die Erde umrunden. „Im Vergleich zu anderen Satelliten ist das sehr wenig, aber je näher Goce der Oberfläche kommt, desto genauer sind die Messungen“, sagt Kusche. Niedriger könne der Satellit aber nicht fliegen, weil die Restatmosphäre mit abnehmender Höhe dichter und dadurch die Reibung stärker wird. Die fünf Meter lange Sonde würde dann zu stark abgebremst und deutlich mehr Treibstoff verbrauchen.

Um das Schwerefeld zu erfassen, ist Goce mit Sensoren ausgerüstet, die Veränderungenen der Beschleunigung in allen drei Raumrichtungen messen. Dabei handelt es sich um etwa faustgroße Metallwürfel, die mit elektrostatischen Kräften schwebend in einem Käfig gehalten werden. „Ändert sich die Erdanziehungskraft, verschieben sich die Würfel“, erklärt Kusche. Aus der Kraft, die nötig ist, um die Metallstücke wieder ins Zentrum der Hülle zu verschieben, lasse sich die Gravitationskraft berechen. Die Messung ist so präzise, dass an dem Satelliten keine beweglichen Teile sein dürfen; schon eine schwenkbare Antenne würde zu große Störungen hervorrufen.

Da die Schwerkraft auch mit der Entfernung vom Erdmittelpunkt variiert, müssen die Forscher genau wissen, welche Position der Satellit hat, um dessen Messdaten zuordnen zu können. Dafür hat Goce ein GPS-System an Bord, das die Lage des Satelliten zentimetergenau berechnen kann. Zudem ist an der Blechröhre ein Reflektor für Laserstrahlen montiert. Damit kann man die Sonde von der Erde aus mit Laserteleskopen anpeilen und ihre Bahn bestimmen.

Aus all diesen Daten wollen die Geoforscher das Geoid berechnen – eine Art virtuelle Hülle um die Erde. Das Geoid entspricht dem Meeresspiegel im Zustand perfekter Ruhe, also ohne die Einflüsse von Wind und Wellen, selbst die Gravitation von Sonne und Mond wird herausgerechnet. Dieses theoretische Meeresspiegelniveau wird beispielsweise zur Höhenangabe von Bergen genutzt – in Gestalt der Einheit „m üNN“: Meter über Normalnull.

„Das Geoid ist aber keineswegs eben, es hat mächtige Beulen und Dellen“, sagt Kusche. Am bekanntesten ist die Vertiefung südlich von Indien. Rund 100 Meter liegt dort der Meeresspiegel tiefer als es der Geometrie einer rotierenden Kugel zufolge sein sollte. „Der Meeresspiegel orientiert sich an dem Niveau gleicher Schwerkraft“, sagt der Geodät. Offenbar haben die Gesteine unter dem Indischen Ozean eine verhältnismäßig geringe Dichte, was zur Folge hat, dass die Gewichtskraft schwächer ist. Dieses Defizit lässt sich nur ausgleichen, indem man dem Erdmittelpunkt näher kommt. Da die Gewichtskraft am Boden der Vertiefung genauso groß ist wie am Rand, fließt auch kein Wasser in die Delle hinein.

Bis auf einen Höhenzentimeter genau soll Goce das Geoid bestimmen. Anschließend wollen die Wissenschaftler dieses theoretische Meeresspiegelniveau mit der tatsächlichen Lage der Wasseroberfläche vergleichen, die sie von anderen Satelliten erhalten. Mithilfe der Differenz zwischen Theorie und Wirklichkeit hoffen sie, weitere Meeresströmungen zu identifizieren. „Wenn in den Ozeanen Wasser strömt, wölbt sich die Oberfläche nämlich auf“, sagt der Geoforscher Kusche. Einen ähnlichen Effekt könne man auch in der Badewanne beobachten: Nachdem der Stöpsel gezogen wurde, bildet sich ein Strudel, der die Oberfläche krümmt.

Draußen auf den Weltmeeren sind die Dimensionen etwas größer. In der Karibik beispielsweise, wo der oberflächennahe Golfstrom beginnt, liegt der Meeresspiegel bis zu zwei Meter über dem Geoid. Wenn sie nun kleinere Wasserhügel entdecken, können sie auch untergeordnete Meeresströmungen identifizieren, hoffen die Geowissenschaftler.

„Je genauer die Daten über die Strömungen sind, desto besser sind die Klimamodelle“, sagt Kusche. Und umso besser könne man sich auf die klimabedingten Veränderungen wie steigende Meeresspiegel einstellen und genau sehen, wo etwa Deiche erhöht werden müssen.

Bis das gelingt, wird es aber noch etwas dauern. Zunächst muss der Satellit in die Umlaufbahn gebracht und seine Messapparate kalibriert werden. Drei Monate sind dafür veranschlagt. Dann bleiben noch etwa anderthalb Jahre für den Forschungsflug, bevor der Treibstoff verbraucht ist. Dann wird Goce wie ein Marmeladenbrot zum Erdmittelpunkt gezogen – und in der Atmosphäre verglühen.

0 Kommentare

Neuester Kommentar
      Kommentar schreiben