Erdschwerefeld ändert sich ständig

Satelliten messen zeitliche Variationen des Schwerefeldes hochgenau. Die Daten zeigen auch indirekt Meeresspiegeländerungen an.

Das Schwerefeld der Erde setzt sich aus Erdanziehung (Gravitation) und der durch die Erdrotation verursachten, breitenabhängigen Zentrifugalbeschleunigung zusammen. Materie im Erdinneren ist nicht gleichmäßig verteilt. Wasser, Sanddünen oder Gebirge haben unterschiedliche Dichten und erzeugen deshalb stärkere beziehungsweise geringere Anziehungskräfte. Zusätzlich finden Massenumverteilungen an der Erdoberfläche statt, beispielsweise verursacht durch den globalen Wasserkreislauf oder das Abschmelzen von Eismassen. Das Schwerefeld weist folglich Änderungen sowohl räumlicher als auch zeitlicher Natur auf. Die unterschiedliche Erdanziehung führt dazu, dass die Erde keine sich drehende Kugel, auch keine „abgeplattete Kugel“ (Rotationsellipsoid), sondern ein sich ständig änderndes, eher „kartoffelartiges Gebilde“ (Geoid) mit Einbuchtungen und Aufwölbungen ist. Diese teils minimalsten Änderungen des Geoids können vom Weltraum aus präzise gemessen werden.

Genaue Erkenntnisse zu den zeitlichen Schwerefeldvariationen liefert die bereits seit fast 15 Jahren aktive Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), während die inzwischen beendete Satellitenmission GOCE  (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) zur hochgenauen Bestimmung des statischen, also unveränderlichen Anteils des Schwerefeldes beigetragen hat.

Variationen des Erdschwerefeldes und die Messmethode von GRACE

Die GRACE-Satelliten liefern wichtige Hinweise auf Auswirkungen des Klimawandels durch die kontinuierliche, monatliche Messung der Veränderungen des Erdschwerefeldes. Bei GRACE fliegen zwei Satelliten in einer Anfangsflughöhe von 500 km (heute 360 km) im Abstand von rund 220 km Entfernung voneinander um die Erde. Der tatsächliche Abstand der beiden baugleichen Satelliten ändert sich in Abhängigkeit von den Ungleichmäßigkeiten des Schwerefeldes der Erde. Fliegt der vordere Satellit über ein Gebiet mit stärkerer Schwerkraft, wird er zunächst kurzzeitig beschleunigt und anschließend wieder verlangsamt. Der hintere Satellit erfährt kurze Zeit später dieselbe Änderung seiner Geschwindigkeit. Mit einem Mikrowellensensor wird der sich ständig ändernde Abstand der beiden Satelliten mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich gemessen (weniger als eine Haaresbreite genau!). Aus den Abstandsänderungen und den Positionen der beiden Satelliten, welche mit GPS bestimmt werden, kann auf das Erdschwerefeld rückgeschlossen werden. Die Genauigkeit einer solchen monatlichen Schwerefeldlösung beträgt etwa 1 mm Fehler des Geoids bei einer räumlichen Auflösung von etwa 350 km.  Hat man nun eine genügend lange Zeitreihe solcher Schwerefeldlösungen, können daraus wiederum Abschmelzraten von Eismassen (Gletscher, Polkappen), das Heben oder Senken von Landmassen durch die sogenannte post-glaziale Landhebung, Hochwasser oder Dürren und auch Meeresspiegeländerungen erfasst werden.

Erstaunliche Erkenntnisse zur thermischen Ausdehnung des Meeres: aktuelles Anwendungsbeispiel der Messergebnisse von GRACE

Meeresspiegeländerungen können unterschiedliche Ursachen haben. Gezeiten und Witterungseinflüsse, also Wind oder Luftdruck, bewirken kurzfristige Änderungen des Meeresspiegels. Langfristige Änderungen des Meeresspiegels werden durch Ausdehnung des Wassers durch Erwärmung oder aber Wasserzufuhr, z.B. durch erhöhte Schmelzwassermengen, hervorgerufen. Pegel und Bojen im Meer können diese Parameter nur lokal erfassen. Mit Satellitendaten lassen sich dahingegen globale Erkenntnisse gewinnen. Altimetriesatelliten messen mittels Radarsensoren den geometrischen Abstand vom Satellit zur Meeresoberfläche und stellen damit ein direktes Verfahren zur Meereshöhenbestimmung dar.

Andererseits lassen sich diese Informationen auch anhand des Schwerefeldes der Erde indirekt ableiten. Durch Kombination von Schwerefeld- mit Altimetriedaten können die jeweiligen Anteile von Ausdehnung bzw. Wasserzufuhr sogar voneinander getrennt werden. Aus so einer Kombination von Daten der GRACE-Mission und Altimetriedaten der beiden Satelliten Jason-1 und -2 ergibt sich in Rietbroek et al. (2016) ein globaler mittlerer Meeresspiegelanstieg von jährlich 2,7 mm im Zeitraum zwischen 2002 und 2014, wobei die Anteile von thermischer Ausdehnung und Massenzunahme der Ozeane in etwa gleich groß sind. Für gut die Hälfte der Massenzufuhr ist dabei allein das Abschmelzen der grönländischen Eisschilde verantwortlich. Bemerkenswert an dieser Studie ist, dass der Anstieg durch thermische Ausdehnung rund doppelt so groß zu sein scheint, als bisher in anderen Studien ohne Verwendung von Satellitendaten ermittelt wurde. Dies könnte daran liegen, dass in diesen bisherigen Studien die Erwärmung tieferer Ozeanregionen (< -1500 m) nicht ausreichend berücksichtigt ist. Ein anderer möglicher Grund wäre eine Unterbestimmung des durch Massenzufuhr verursachten Meeresspiegelanstiegs. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass die ermittelten Massenänderungen in den einzelnen Regionen konsistent mit Ergebnissen anderer aktueller Veröffentlichungen sind, die ebenfalls auf Daten der GRACE-Satelliten beruhen.

Die zukünftige Forschung wird dieses Phänomen besser entschlüsseln können. Dazu wird auch die Nachfolgemission GRACE Follow-on beitragen, die gerade durch NASA und GFZ realisiert wird und Anfang 2018 starten soll. Mit ihrer Hilfe sollen die GRACE-Zeitreihen nochmal um mindestens 5 Jahre verlängert werden, wodurch sich die bisher gewonnenen Ergebnisse statistisch besser absichern lassen.

Weiterführende Information

  Rietbroek R, Brunnabend S-E, Kusche J, Schröter J, Dahle C (2016): Revisiting the contemporary sea-level budget on global and regional scales. - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 113, 6, p. 1504-1509. DOI:10.1073/pnas.1519132113

Text: ESKP, fachliche Durchsicht Christoph Dahle, Deutsches GeoForschungsZentrum, GFZ

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