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StartseiteForschung aktuellTom und Jerry im Orbit16.03.2012

Tom und Jerry im Orbit

Zehn Jahre Schwerefeldmessung mit Grace-Satelliten

Geophysik. - Seit zehn Jahren vermessen die Zwillingssatelliten Grace das irdische Schwerefeld aus einem Orbit in knapp 480 Kilometer Höhe. Grace steht für "Gravity Recovery and Climate Experiment", also: Schwerefeld- und Klima-Experiment, ein gemeinsames Projekt Deutschlands und der USA.

Von Anke Wilde

Die GRACE-Satelliten in der Umlaufbahn (Zeichnung) (NASA)
Die GRACE-Satelliten in der Umlaufbahn (Zeichnung) (NASA)

Neustrelitz, eine Kleinstadt im Süden von Mecklenburg-Vorpommern. Am Stadtrand stehen, ganz in weiß, die flachen Gebäude und die drei großen Satellitenempfangsantennen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Schon zu DDR-Zeiten verfolgte man hier Satelliten, russische wie amerikanische. Seit den 70er Jahren erforscht Norbert Jakowski hier die obere Atmosphäre. Von seinem Büro aus blickt er auf eine zwölf Meter hohe Antenne. Täglich empfängt sie ein Datenpaket von einem der beiden Grace-Satelliten.

"Die Antenne wird dann in Position gebracht, erwartet ihn über dem Horizont und folgt dem Satelliten. Nach etwa zehn Minuten dann ist die Transmission abgeschlossen, Grace hat seine Daten, die er gesammelt hat, inzwischen abgeladen hier und die Signale gehen von hier ins Empfangszentrum und werden weitergeleitet."


Vor zehn Jahren wurden die trapezförmigen, jeweils drei Meter langen und 490 Kilo schweren Satelliten vom nordrussischen Plessezk aus mit einer Rokot-Rakete gestartet und in 480 Kilometern Höhe ausgesetzt. Seitdem umrunden sie die Erde, 15 Mal am Tag, immer an den Polen vorbei. Und immer strikt hintereinander, etwa 200 Kilometer voneinander entfernt. In Anlehnung an die Zeichentrickserie wurde das Satellitenpaar darum Tom und Jerry getauft. Im Laufe eines Monats rastern sie die gesamte Erdoberfläche ab. Wegen der Reibung der auch in diesen Höhen noch vorhandenen Luftmoleküle und natürlich wegen der Gravitation sinken sie allmählich zur Erde. Aus ihrem Bewegungsmuster schließen die Forscher auf das Erdschwerefeld. Jürgen Kusche, Grace-Experte an der Universität Bonn:

"Wenn der erste Satellit nun über einen Berg fliegt, ein Berg repräsentiert eine Masse mit einer erhöhten Anziehungskraft, wird dieser Satellit zunächst mal stärker angezogen. Der Abstand zwischen den beiden Satelliten ändert sich. Nach einigen Minuten fliegt der zweite Satellit über denselben Berg, auch er wird stärker angezogen als zuvor, und der Abstand verringert sich in diesem Moment wieder."

In den zehn Jahren sind die Satelliten so über 30 Kilometer abgesunken. Bei ihrem Flug haben Tom und Jerry ständig Blickkontakt: zwei Mikrowellensensoren an den einander zugewandten Seiten der Satelliten bestimmen auf den Tausendstel Millimeter genau ihren Abstand. Ein hochempfindliches Akzelerometer zeichnet die Beschleunigung auf. Über den Langzeitvergleich dieser Daten lassen sich auch Veränderungen des Schwerefeldes erkennen, die beispielsweise durch das Schmelzen der Gletscher an den Polkappen verursacht werden. Kusche:

"Die Beschleunigung ist abhängig von der Massenverteilung an der Erdoberfläche und innerhalb der Erde. Wenn sich die Massen ändern, wenn der Eisschild schmilzt oder der Grundwasserstand sich verändert, dann wird sich die Schwerebeschleunigung verändern, und die Bahn des Satelliten wird eine etwas andere Form annehmen."

Sogar Masseverlagerungen nach heftigen Erdbeben und große Magmaströme in den Tiefen des Erdmantels können die Geoforscher aufspüren. Denn auch die wirken sich auf die Schwerkraft und damit auf das Sinkverhalten der Satelliten aus. Mit Grace wird aber auch die Erdatmosphäre vermessen. Bei der so genannten Radiookkultation verfolgen Tom und Jerry GPS-Satelliten, die am Erdhorizont auf- oder abtauchen. Die GPS-Signale gelangen durch die Atmosphäre zu den Grace-Satelliten und werden dabei auf charakteristische Weise gebremst und gekrümmt. Norbert Jakowski:

"Man scannt im Prinzip die vertikale Schichtung in der Atmosphäre. Angefangen in der Ionosphäre, wo wir die Elektronendichte ableiten können. Dann weiter nach unten gehend kann man die Temperaturprofile ableiten und Wasserdampfprofile bis zur Erdoberfläche."

Ursprünglich sollte die Grace-Mission fünf Jahre dauern. Nach nunmehr doppelt so langer Zeit zeigen Tom und Jerry Abnutzungserscheinungen. Noch zwei, drei Jahre, so hoffen die Wissenschaftler, werden sie durchhalten, bevor sie endgültig in die Atmosphäre sinken und verglühen. Doch eine Folgemission ist bereits in Planung: Grace Follow on. Wenn alles gut geht, startet sie im Herbst 2016.

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