Schwer was los auf der Erde: 20 Jahre GRACE-Satellitenmission gefeiert

Das GFZ hat den 20. Jahrestag des Starts der beiden GRACE-Satelliten mit
Brandenburgs Forschungsministerin Manja Schüle und der
Raumfahrtbeauftragten des Bundes, Anna Christmann, sowie mehreren
Bundestagsabgeordneten gefeiert. Die Politiker:innen informierten sich aus
erster Hand bei Forschenden und Industriepartnern der beiden Missionen
GRACE (2002–2017) und GRACE-Follow On (seit 2018). Die Tandem-Satelliten,
eine gemeinsame Mission der NASA, des DLR sowie des GFZ mit weiteren
Forschungs- und Industriepartnern, ermöglichen erstmals die
kontinuierliche Überwachung des Schwerefelds der Erde – und damit auch des
Einflusses, den der Klimawandel auf den globalen Wasser- und Eishaushalt
hat.

Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ hat den 20. Jahrestag des Starts der
beiden GRACE-Satelliten mit Brandenburgs Forschungsministerin Manja Schüle
und der Raumfahrtbeauftragten des Bundes, Anna Christmann, sowie mehreren
Bundestagsabgeordneten gefeiert. Die Politiker:innen informierten sich aus
erster Hand bei Forschenden und Industriepartnern der beiden Missionen
GRACE (2002–2017) und GRACE-Follow On (seit 2018). Die Tandem-Satelliten,
eine gemeinsame Mission der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und
Raumfahrt DLR sowie des GFZ mit weiteren Forschungs- und
Industriepartnern, ermöglichen erstmals die kontinuierliche Überwachung
des Schwerefelds der Erde – und damit auch des Einflusses, den der
Klimawandel auf den globalen Wasser- und Eishaushalt hat.

Am 17. März 2002 hob das „Gravity Recovery and Climate Experiment“, kurz
GRACE, vom russischen Weltraumbahnhof Plesetsk ab. Die Mission, bestehend
aus zwei hintereinander fliegenden Zwillingssatelliten, hat erstmals das
Schwerefeld der Erde und vor allem dessen kurzfristige Änderungen präzise
und über einen langen Zeitraum vermessen. Nach mehr als dem Dreifachen der
nominellen Laufzeit von fünf Jahren endete die Mission Ende 2017. Im Mai
2018 hob das Nachfolge-Duo GRACE-FO aus Kalifornien ab und setzt die
Zeitreihe fort. „Was uns die 20 Jahre Daten an Umweltveränderungen und
Folgen des Klimawandels zeigen, ist dramatisch“, fasst Niels Hovius,
wissenschaftlicher Direktor (interim) des GFZ die Ergebnisse zusammen.
„Ohne die beiden Missionen GRACE und GRACE-FO wären wir weiter auf
Schätzungen angewiesen, was den globalen Wasserkreislauf betrifft.“ Umso
wichtiger sei es, so Hovius weiter, „dass wir die Zeitreihe nicht abreißen
lassen und in spätestens fünf Jahren eine Nachfolgemission starten“.

Bei einer Jubiläumsveranstaltung auf dem Potsdamer Telegrafenberg
informierten Forschende des GFZ, aber auch der Nachbarn – vom Potsdam-
Institut für Klimafolgenforschung und Alfred-Wegener-Institut für Polar-
und Meeresforschung – gemeinsam mit Kolleg:innen der NASA, des Deutschen
Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), zweier Max-Planck-Institute und
von Airbus Defense & Space die Politiker:innen über die Missionen.

Anna Christmann: „Ursachen und Folgen der Klimakrise noch besser
verstehen“

Die Raumfahrtbeauftragte des Bundes, Anna Christmann, sagte: „20 Jahre
GRACE-Mission sind ein Grund zum Feiern. Die Messdaten der
Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO liefern wichtige Beiträge zur
Modellierung des Systems Erde. Beide Missionen basieren auf einer
erfolgreichen und vertrauensvollen Kooperation zwischen Deutschland und
den USA. Erst durch die Expertise und Kompetenzen beider Länder ist es
möglich, einzigartige Schwerefeldmessungen durchzuführen und so die
Ursachen und Folgen der Klimakrise noch besser zu verstehen."

Manja Schüle: „Wichtiger Beitrag zum Monitoring des Klimawandels“

Brandenburgs Forschungsministerin Manja Schüle schloss sich der
Gratulation an und fügte hinzu: „Auf dem Telegrafenberg wird seit
Jahrzehnten Spitzenforschung im Bereich der Erdsystemforschung, des
Umwelt-Monitorings und der Klima-Modellierung betrieben. Vom
GeoForschungsZentrum, aber auch vom Potsdam-Institut für
Klimafolgenforschung und vom Alfred-Wegner-Institut für Polar- und
Meeresforschung – geballte Expertise, um Lösungen für die globalen
Herausforderungen des Klimawandels zu finden. Dazu hat vor genau 20 Jahren
auch und insbesondere der Start der GRACE-Mission beigetragen. Deren
Satelliten haben einen wichtigen Beitrag zum Monitoring des Klimawandels
geleistet, indem sie beispielsweise Änderungen im globalen
Wasserkreislauf, Details des Meeresspiegelanstiegs und das immer raschere
Abschmelzen des Polareises anzeigten.“

Bedeutung der Schwerefelddaten für die Erdsystemforschung

Wichtigstes Produkt von GRACE und nun GRACE-FO sind monatliche Karten des
Schwerefeldes für den ganzen Globus. Andreas Lindenthal, Leiter von Airbus
Space Systems Deutschland, sagte: „Die von GRACE bzw. GRACE-FO gemessenen
Unterschiede im Erdschwerefeld liefern grundlegende Hinweise auf die
großräumige Dynamik des Planeten. Die Überwachung beispielsweise der
oberflächennahen und unterirdischen Wasserspeicherung, sowie der
Veränderungen des Meeresspiegels und der Meeresströmungen bietet ein
integriertes globales Bild davon, wie sich der Energiehaushalt der Erde
entwickelt - Veränderungen, die wichtige Auswirkungen auf das tägliche
Leben vieler Menschen haben.“

Die GRACE- und GRACE-FO-Satelliten geben unter anderem Auskunft über den
gesamten Wassergehalt auf und unter der Erdoberfläche („Total Water
Storage“, kurz TWS) und dessen räumliche und zeitliche Änderungen. Das
Global Climate Observing System der World Meteorological Organization hat
TWS im Jahr 2020 als „essenzielle Klimavariable“ („Essential Climate
Variable“) definiert und damit deutlich gemacht, welch große Rolle die
Daten von Schwerefeldmissionen für die Überwachung und Beschreibung des
Klimawandels spielen.

Der Leiter des GRACE-Programms bei Airbus, Albert Zaglauer, unterstreicht:
„Mit unseren äußerst zuverlässigen und langlebigen GRACE und GRACE-FO-
Satelliten hat Airbus Wissenschaftlern und Anwendern die entscheidenden
Messwerkzeuge geliefert, die eine globale, nachhaltige Forschung über den
Zustand unseres Planeten ermöglichen. Mit unserer fortgeschritten
Satellitentechnologie und unserem Fertigungs-Know-how verfügen wir auch
heute schon über die Antworten auf künftige Missionsanforderungen und
können diese zuverlässig entwickeln und umsetzen.“

Messprinzip des Satellitenduos

Das mit GRACE realisierte Messprinzip ist das einzige Verfahren, das
Änderungen im Wasserkreislauf – sogar bis weit unter der Erdoberfläche –
beobachten kann. Die GRACE- und GRACE-FO-Daten ermöglichten es erstmals,
den Eismassenverlust der großen Eisschilde auf Grönland und der Antarktis
genau zu quantifizieren, ebenso wie Verläufe von Dürren. Besondere
Aufmerksamkeit erregten die Rekordverluste des Grönlandeises im Jahr 2019
und die Dürrejahre 2018 und 2019 in Europa: So sind in Grönland 2019 mehr
als 530 Milliarden Tonnen Eis geschmolzen, in etwa zweimal so viel wie das
jährliche Mittel seit 2002. In Mitteleuropa führte die Dürre der letzten
Jahre im Sommer 2019 zu einem Wasserdefizit, das doppelt so groß war wie
das übliche Wasserdefizit im Sommer. Die Mission trägt entscheidend dazu
bei, das System Erde besser zu verstehen. Im aktuellen Bericht des
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist GRACE die am
dritthäufigsten genannte Satellitenmission.

Bei der Jubiläumsveranstaltung informierten die Forschenden und
Industriepartner auch über das Messprinzip und dessen Weiterentwicklung.
Die beiden GRACE und GRACE-FO-Satelliten senden kontinuierlich
Mikrowellensignale aus, die vom jeweils anderen empfangen werden. Daraus
werden minimale Abstandsänderungen im Mikrometerbereich zwischen den
beiden Raumfahrzeugen abgeleitet, die wiederum durch Massenänderungen auf
der Erde hervorgerufen werden. Aus den etwa 500 Umläufen des
Satellitentandems innerhalb eines Monats lassen sich dann fortlaufend
Karten des globalen Erdschwerefeldes mit einer Auflösung von rund 300
Kilometer mal 300 Kilometer ableiten. Diese nun 20 Jahre langen Zeitreihen
haben gezeigt, wie sich im Lauf der Zeit Wasser, Eis und festes Material
auf der Erde beziehungsweise unter ihrer Oberfläche bewegen. Die auf
GRACE-FO erstmals im Weltall erprobte Abstandsmessung zwischen den beiden
Satelliten per Laser-Interferometrie (LRI für Laser Ranging
Interferometer) hat sich bewährt. Das LRI soll bei der geplanten
Nachfolgemission GRACE-I die bisherige Abstandsmessung per Mikrowellen
ersetzen. Das LRI wurde vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
mitentwickelt und soll bei einem Weltraumteleskop für Gravitationswellen
eingesetzt werden.

Künftig soll ICARUS mitfliegen

An den Plänen für die Nachfolgemission GRACE-I arbeiten Forschende des Jet
Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und
Raumfahrt (DLR) und des GFZ bereits gemeinsam mit Kolleg:innen von zwei
Max-Planck-Instituten. Wie ihre beiden Vorgängermissionen wird GRACE-I
wissenschaftliches und technologisches Neuland betreten. Das I steht für
die zusätzliche Nutzlast ICARUS (International Cooperation for Animal
Research Using Space) – ein System, mit dem Tierwanderungen vom All aus
verfolgt werden können. Außerdem soll ein neuartiges Gerät zur Ausmessung
des Schwerefeldes mitfliegen, ein Quantum Gravity Gradiometer QGG. Das QGG
soll – wie das LRI auf GRACE-FO – als Technologiedemonstrator für
nachfolgende Schwerefeldmissionen erprobt werden.