Nicht den Riesen gilt das Hauptaugenmerk von GRACE, sondern den Zwergen. Der Schwerpunkt der Mission liegt auf der Messung kleinster Klimafaktoren, die umweltrelevante Phänomene wie El Niño, Polarschmelze und Hurrikane erklären können und Klimavorhersagen vereinfachen würden.
Zu 99 Prozent können die Beulen und Dellen des Geoids durch statische Einflüsse wie Massenansammlung von Gebirgen oder regionale Materialunterschiede erklärt werden. Selbst die tektonischen Prozesse an den Subduktions- und Dehnungszonen rufen eher konstante Schwereabweichungen hervor. Der verbleibende eine Prozentpunkt wird jetzt von den Wissenschaftlern immer genauer unter die Lupe genommen. Denn dahinter verbergen sich die Abweichungen des Schwerefeldes, die kurzfristigeren zeitlichen Schwankungen unterworfen sind.

Auf den Millimeter genau untersuchen Wissenschaftler des GFZ und der Universität von Texas die periodisch wiederkehrenden Veränderungen des weltweiten Wasserhaushalts. Denn die in seinem Rahmen stattfindende gewaltige Massenverlagerung ist für einen Großteil der zeitlichen Variationen im Schwerefeld verantwortlich. Im Wasserkreislauf stehen die Oberflächengewässer der Kontinente und deren Grundwasserspiegel, die Eismassen der Pole, die Ozeane und der Wasserdampf in der Atmosphäre miteinander in fortwährendem Austausch. Die Anteile der in den verschiedenen Stationen dieses riesigen Kreislaufs gespeicherten Wassermassen verändern sich dabei ständig – entsprechend schwankt damit auch das Schwerefeld.

Die Schwereanomalien durch Wasser © GFZ Potsdam

Erstmals ist den Forschern des GFZ im Jahr 2004 gelungen, die jahreszeitliche Veränderung der Oberflächengewässer auf den Kontinenten durch Schwerefeldmessungen mit Satelliten aufzuzeichnen. Die größten Schwankungen registrierten sie dabei in den Flussgebieten von Ob und Jenissei in Sibirien, vom Kongo in Afrika und vom Amazonas in Südamerika. Das amerikanische National Research Council hat die Monatswerte des Schwerefeldes im Amazonas-Beckens verglichen und im April 2003 eine Ausbeulung des Geoids um 14 Millimeter beobachtet. Das Minimum lag im Oktober 2003 bei -7,7 Millimeter. Der Schwerewert weist damit vermutlich darauf hin, dass die Erdkruste sich unter den enormen Regenfällen im Sommer und Herbst senkt. Mit dem Abfließen der Wassermassen hebt sich die Kruste wieder bis zum Frühling.

Zum besseren Verständnis der Ozeane wollen die Wissenschaftler nun die Erforschung der Meeresströme und damit die Verlagerung der großflächigen Wassermassen in den Mittelpunkt der GRACE-Mission rücken. Entscheidend dafür ist allerdings ein besseres Verständnis der Meerestopographie. Deshalb erstellten die Wissenschaftler vom GFZ ein komplexes Schweremodell der Geoidoberfläche aus Satellitendaten und detaillierten gravimetrischen Messungen an Land. Die Höhe der Meeresoberfläche vermisst ein Satellit zentimetergenau mit Lasern und Radar. Wird der Wasserstand mit dem Geoid verrechnet, bleibt das exakte Relief des Meeresbodens, dass unter anderem Aufschluss über die großräumigen Meeresströmungen gibt.

Die Europäische Raumfahrtbehörde (ESA) hat zwar bereits ein Schweremodell über die Veränderung des Meeresspiegels erstellt, aufgrund der ungenauen Daten ist jedoch immer noch unklar, ob der Grund des Anstiegs in einer Zunahme der Wassermasse liegt oder an der Ausdehnung des Wassers durch die höhere Atmosphärentemperatur. Die Wissenschaftler vom GFZ erhoffen sich von den Ergebnissen ihrer Modelle nicht nur Informationen über den Anstieg des Meeresspiegels, sondern auch über Tiefseeströmungen und den Wärme- und Kohlendioxid-Transport der Ozeane.

Selbst die Luft wiegt zu viel
Die Kenntnis von einzelnen Komponenten des Klimasystems würde die Genauigkeit von globalen Klimamodellen erhöhen und damit das Wissen um Einflüsse auf das Klima und deren Auswirkungen erweitern. Dazu gehören auch die Massenveränderungen in der Atmosphäre, die durch Luftdruck, Temperatur und Wasserdampfgehalt beeinflusst werden. Die atmosphärischen Schwerefeldvariationen wirken sich auf das Geoid mit Höhenänderungen zwischen minus sieben bis plus 15 Millimeter aus. Für ein Gesamtmodell sind die einzelnen Faktoren allerdings noch nicht mit ausreichender Genauigkeit oder noch gar nicht untersucht worden. Welche Rolle beispielsweise die Eiskappen der Pole oder das Grundwasser im Schweremodell spielen ist bisher noch unbekannt.

Unter den periodischen Schwankungen des Schwerefeldes sind die Auswirkungen des Mondes noch am Größten. Die Massenanziehung des Erdtrabanten lässt nicht nur das Meer, sondern sogar seine Kruste Wellen schlagen. Bei Voll- oder Neumond hebt und senkt sich in den geographischen Breiten Westeuropas die Erdkruste um rund 50 Zentimeter, was einen dicken Wulst von Schwereanomalien hinter sich her zieht.

	Veränderungen in der Erdschwere durch das Tsunami-Beben 2004 © GFZ Potsdam

Nicht alle Einflüsse auf das Erdschwerefeld wiederholen sich zeitlich regelmäßig. Einzelphänomene wie Vulkanausbrüche und Erdbeben haben zwar nur kleinräumige Auswirkungen, aber verursachen dennoch messbare Schwankungen im Schwerefeld. Die Tsunami-Katastrophe im Dezember 2004 war von einem Seebeben mit der Stärke 9,0 ausgelöst worden. Beim Abtauchen unter die Burmesische Platte hatte sich die Indische Platte verhakt und zu einer Hebung des Seebodens um sechs Meter auf einer Länge von über 1.000 Kilometer geführt. Die Wissenschaftler von ESA haben nach dem Beben eine Veränderung der Geoidhöhe zwischen minus vier und plus 12 Millimeter gemessen. Das stärkste Erdbeben der Geschichte 1960 in Chile beulte mit einer Stärke von 9,5 das Geoid um etwa drei Zentimeter aus.