www.scinexx.de
Das Wissensmagazin
Vermessung der Erde durch Satelliten: Aus dem Schwerefeld lassen sich verschiedenste Informationen gewinnen

Vermessung der Erde durch Satelliten: Aus dem Schwerefeld lassen sich verschiedenste Informationen gewinnen

Die Vermessung der Welt - aus dem All
Wie Satelliten bei Klimaforschung, Geophyisk und Hydrologie helfen
Heute benötigt man zur "Vermessung der Welt" keine Messlatten, Sextanten und Ähnliches mehr. Die Geodäsie setzt stattdessen immer mehr auf Satelliten - vor allem wenn es um globale Phänomene geht wie den Meeresspiegel, die großen Eisschilde oder den Wasserkreislauf. Wie aber funktioniert diese Vermessung aus dem Orbit?

Die Satellitengeodäsie spielt heute eine wichtige Rolle in der Erdsystem- und Klimaforschung, denn sie hat einige Vorteile: Der geodätische Blick aus dem All ist global und zeigt das Gesamtsystem Erde übergreifend und im Zusammenhang. Gleichzeitig können die Satelliten trotzdem verschiedene Komponenten quantitativ erfassen. Vor allem zwei Methoden sind dabei heute im Einsatz: die Satellitengravimetrie, die Schwerefeld-Messung von Orbit aus, und die Satellitenaltimetrie, die die Oberflächenform von Wasser, Eis oder Land mittels Radar abtastet.
Von der Triangulation zum Satelliten
Die Vermessung der Welt gestern und heute
2005 erschien der Bestseller "Die Vermessung der Welt" von Daniel Kehlmann, ein Roman über die Geodäten Carl Friedrich Gauß und Alexander von Humboldt. Der breiteren Öffentlichkeit sind die beiden Herren zwar eher als Mathematiker und Naturforscher bekannt. Der Buchtitel verweist aber auf die Kernaufgabe der Geodäsie, nämlich das Ausmessen und Abbilden der Erdoberfläche. Und genau das taten die Herren Gauß und von Humboldt im 18. Jahrhundert.

Ausschnitt aus dem alten Zehn-D-Mark-Schein mit Sextant

Ausschnitt aus dem alten Zehn-D-Mark-Schein mit Sextant

Nicht umsonst zeigte der alte Zehnmarkschein ein norddeutsches Triangulationsnetz samt Sextant: Sie symbolisierten die Vermessungstätigkeiten von Gauß. Seine mathematischen Entwicklungen wurden oft aus seinen praktischen Messtätigkeiten gespeist, zum Beispiel die Schätzmethode der kleinsten Quadrate oder seine Statistik. Letzteres ist auch auf dem alten Zehnerschein symbolisiert, nämlich durch die Gauß’sche Normalverteilung. Auch Alexander von Humboldt war ein aktiver Geodät, hatte er auf seinen Entdeckungsreisen doch immer Vermessungsgeräte dabei.

Der Traum von der globalen Vermessung
Geodäten haben schon immer davon geträumt, die Erde als Ganzes vermessen zu können. Der Grundstein dazu wurde vor 150 Jahren vom preußischen General Johann Jacob Baeyer gelegt, als er Delegierte aus Preußen, Österreich und Sachsen 1862 nach Berlin zur Diskussion seines Entwurfs zu einer Mitteleuropäischen Gradmessung einlud. Bald schlossen sich weitere europäische Staaten der Initiative an, was als Geburtsstunde der Internationalen Assoziation der Geodäsie (IAG) gilt. Im Jahr 2013 veranstaltet die IAG in Potsdam zu Ehren von General Baeyer eine große internationale Konferenz.

Der Satellit Cryosat vermisst Eisflächen mit Hilfe der Altimetrie.

Der Satellit Cryosat vermisst Eisflächen mit Hilfe der Altimetrie.

Der Traum der globalen Vermessung der Erde wurde allerdings erst im Satellitenzeitalter realisiert. Nur von Satelliten aus besteht überhaupt die Chance, die Erde gleichmäßig, mit homogener Genauigkeit und in einem beschränkten Zeitraum zu vermessen. Schon aus den ersten Sputnik-Bahnbeobachtungen konnte die Erdabplattung genauer bestimmt werden als aus allen terrestrischen Messungen der Jahrhunderte davor. Danach entwickelte sich die Satellitengeodäsie in einem rasanten Tempo. Man denke nur an die gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Möglichkeiten, die globale satellitengestützte Navigationssysteme wie das US-amerikanische GPS oder das künftige europäische Galileo bieten.

Erdbeobachtung für die Klimaforschung
Die Notwendigkeit kontinuierlicher Erdbeobachtung wird durch die aktuelle Debatte um den globalen Wandel unterstrichen. Man liest zwar regelmäßig in der Zeitung, dass der Meeresspiegel ansteigt. Wie misst man aber zuverlässig solche kleinen Änderungen von nur etwa drei Millimetern pro Jahr, wenn man überlegt, dass Wellen und Gezeiten um einige Größenordnungen größer sind? Und wo kommt das Wasser her? Teils erklärt sich der Meeresspiegelanstieg durch thermische Ausdehnung: Wenn die mittleren Temperaturen steigen, dehnt sich auch das Wasservolumen aus. Zum Großteil erklärt sich der Meeresspiegelanstieg aber durch eine großskalige Verlagerung der Wasser- und Eismassen im globalen Wasserkreislauf.

In der Debatte um den Klimawandel haben Kollegen des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) den Begriff der „tipping points“ geprägt. Dies sind kritische Indikatoren des Klimasystems insgesamt. Zum Beispiel beobachten geodätische Satelliten seit einigen Jahren eine beschleunigte Abschmelzung des Grönländischen Eisschildes. Ohnehin spielt die Satellitengeodäsie bei etwa der Hälfte der „tipping points“ , eine wichtige Beobachtungsrolle. Vermessen werden die entscheidenden Parameter dabei mit Hilfe von zwei unterschiedlichen geodätischen Satellitensystemen.
Das Schwerefeld verrät's
Wie funktioniert die Satellitengravimetrie?
Wie „wiegt“ man nun großskalige Massenänderungen wie beispielsweise das Abschmelzverhalten von Grönland aus dem All? Dies gelingt über einen Umweg: Großräumige Massenumlagerungen bewirken eine Änderung des Erdschwerefeldes. Das Schwerefeld der Erde bringt ja „nur“ die Gesamtmassenverteilung in und auf der Erde zum Ausdruck. Auch wenn es sich hier um vielleicht die 6. Nachkommastelle handelt, sind solche zeitliche Änderungen messbar.

Das Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) misst das Schwerefeld der Erde

Das Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) misst das Schwerefeld der Erde

Unterschied als Messprinzip
Satelliten scheinen zu schweben, genau wie ein Astronaut auf der Raumstation schwebt und scheinbar nicht von der Erde angezogen wird. Tatsächlich aber wirkt die Schwerkraft sehr wohl auf sie, - nur wird sie durch die Bewegung im Orbit ausgeglichen. Diese Anziehung lässt sich nicht direkt messen, wohl aber Unterschiede zwischen zwei Satelliten. Beide befinden sich an unterschiedlicher Position im Erdschwerefeld und werden entsprechend unterschiedlich angezogen. Deren Fallbewegung und somit die Intersatellitendistanz ist daher variabel.

Dieses Prinzip, das sich „low-low satellite-to-satellite tracking“ nennt, wird von der amerikanisch-deutschen Satellitenmission GRACE realisiert. Dabei befinden sich seit etwa zehn Jahren zwei baugleiche Satelliten auf derselben polaren Umlaufbahn in etwa 450 Kilometer Höhe. Allerdings sind sie in der Bahn um etwa 200 Kilometer versetzt; der eine Satellit jagt dem anderen mit fast 30 Sekunden Verzögerung hinterher. Die Entfernungsänderungen zwischen den beiden Satelliten werden mit einer Präzision von etwa zehn Mikrometern (μm) durch K-Band-Entfernungsmessung erfasst. Aus diesen hochgenauen Messungen produzieren Geodäten praktisch jeden Monat ein Erdschwerefeld.

Änderungen im Zeitverlauf sind für die Klimaforschung wichtig
Im Rahmen der Klimaforschung werden solche Ergebnisse aber erst interessant, wenn die monatlichen Schwerefelder sozusagen als Film hintereinander gereiht werden. Es entsteht eine Zeitfolge von Schwerefeld-Änderungen, also von Massenverlagerungen im Erdsystem, über die letzten zehn Jahre. Bedingt durch die Höhe der Satelliten und durch die, trotz Messgenauigkeit, relativ geringe Sensitivität kann die Satellitengravimetrie allerdings solche Änderungen nur für räumliche Skalen auflösen, die größer als etwa 400 Kilometer sind.

Trotzdem liefert die Zeitreihe der Massenänderungen ein umfassendes Bild der Erde, das Hydrologen, Eiswissenschaftler oder Geophysiker so noch nicht gesehen hatten. Über die klassischen bildgebenden Verfahren der Satellitenfernerkundung hinaus, eröffnet die Satellitengravimetrie eine komplett neue Art, die Erde zu erkunden. Statt elektromagnetischer Wellen wird die gravitationelle Wechselwirkung genutzt.
Orbit-Blick auf Wassermassen
Wie Satellitenmessungen Auskunft über Wasserverteilungen geben
Weil viele Massenverlagerungen im Erdsystem mit dem Wasserkreislauf zusammenhängen, werden sie oft als Wasserschicht ausgedrückt: die sogenannte wasseräquivalente Höhe. Sie gibt an, wie stark das von Wassermassen beeinflusste Schwerefeld von einer bestimmte Normhöhe an diesem Ort abweicht. Allerdings: Das Gravitationssignal aus der GRACE-Mission kann nicht unterscheiden, ob es nun um Oberflächenwasser, Bodenfeuchte, tiefes Grundwasser oder gar um Wasser in der Biosphäre geht. Eine vertikale Trennung ist nicht möglich. Der Vorteil ist aber, dass man ein vergleichbares Maß und einen globalen Überblick erhält.

Jahresgang der hydrologischen Massenänderungen,
ausgedrückt in äquivalenter Wasserhöhe in Zentimeter

Jahresgang der hydrologischen Massenänderungen, ausgedrückt in äquivalenter Wasserhöhe in Zentimeter

Schwerefeld spiegelt Wasser- und Eisverteilung wieder
Diese Abbildung zeigt die Variabilität der äquivalenten Wasserhöhe weltweit. Obwohl weitere Perioden im Spiel sind, geht es hier in erster Linie um den Jahresgang. Für jeden Pixel auf dieser Karte muss man sich eine jährliche Sinuskurve mit einer Amplitude vorstellen, die man von der jeweiligen Farbe abliest. Konkret geht zum Beispiel der Wasserspeicher des Amazonasbeckens jährlich mit 20 Zentimetern Amplitude auf und ab. Man sieht auch, dass der Amazonas vom Orinocobecken getrennt ist. Weitere Gebiete mit starker hydrologischer Aktivität sind die Tropenbereiche in Afrika und Nordaustralien und der Zusammenfluss von Ganges und Brahmaputra.

Auch die hydrologisch eher inaktiven Kontinentalgebiete, wie die Wüsten und die Antarktis fallen durch helle Farben ins Auge. Die Karte zeigt gleichzeitig auch die Beschränkungen der momentanen Satellitengravimetrie auf: Für viele Gebiete, wie etwa die indonesischen Inseln, reicht die räumliche Auflösung nicht aus.

Selbstverständlich ist es keine neue Erkenntnis, dass im Wüstenbereich hydrologisch wenig passiert und dass die Tropen dagegen sehr aktiv sind. Die Innovation der Satellitengravimetrie steckt in der Tatsache, dass sich Massenumsätze messtechnisch quantifizieren lassen und zwar global mit einheitlicher Genauigkeit und homogener, wenn auch grober räumlicher Auflösung. Dies ist umso wichtiger, weil das terrestrische Netzwerk von hydrologischen und meteorologischen Messstationen seit Jahren rückläufig ist. Der langfristige Betrieb zum Beispiel von Flusspegelstationen ist nun mal für viele Länder weltweit eine kostspielige Angelegenheit.
Tauende Gletscher und bebende Erde
Nutzung von Schwerefeldmessungen für Klimaforschung und Co
Grönland

Grönland

Die Messungen des Schwerefelds durch Satelliten verraten auch langfristige Veränderungen in der Verteilung von Wasser und Eis auf der Erde. So zeigen sie in Skandinavien und Nordamerika Bereiche, in denen die Erdkruste aufzusteigen scheint. Dies geht auf die postglaziale Hebung der Landmassen nach dem Rückzug der Eisschilde der letzten Eiszeit zurück. Die damaligen kilometerdicken Eispanzer drückten die Erdkruste nach innen, seitdem sie abgeschmolzen sind, federt die Erdkruste wieder zurück - allerdings im Zeitlupentempo: Es geht um Bewegungsraten bis zu einem Zentimeter pro Jahr, die auch mit anderen geodätischen Messtechniken wie GPS oder aus geologischen Analysen festgestellt werden können.

Hotspots des Abschmelzens
Das Beunruhigende an den auf der GRACE-Mission beruhenden Messungen sind aber Daten für Grönland und die Westantarktis. Denn sie zeigen, dass dort Veränderungen im Schwerefeld auftreten, die ein bloßes Zurückfedern der Erdkruste hinausgehen. Der Grund: Vom grönländischen Eisschild schmelzen zurzeit etwa 300 Gigatonnen Eis pro Jahr ab.

Langfristige Massenänderungen an der
Erdoberfläche

Langfristige Massenänderungen an der Erdoberfläche

Zum Vergleich: eine Gigatonne entspricht der Wassermasse in einem Würfel mit einem Kilometer Kantenlänge. Wenn 300 solcher Eiswürfel pro Jahr abschmelzen, bewirkt das einen mittleren Meeresspiegelanstieg von etwa 0,85 Millimeter pro Jahr. Zahlenmäßig mag das vielleicht gering erscheinen. Über den Zeitraum der GRACE-Satellitenmission aber sind die Ozeane im Schnitt allein wegen Grönland um fast einen Zentimeter gestiegen. GRACE hat auch bereits Hinweise darauf geliefert, dass sich der Abschmelzvorgang beschleunigt.

Auch Eismassen haben eine Anziehung
Der durch solche Messungen berechnete Meeresspiegelanstieg stellt immer nur einen Schnittwert über die ganze Ozeanfläche dar. In Wirklichkeit wird aber das Schmelzwasser nicht gleichmäßig über die Ozeane verteilt, gleichzeitig übt auch eine große Masse wie das grönländische Eisschild eine eigenen Schwerkraftwirkung: Es zieht das Wasser des Meeres ein bisschen an, dadurch ist der Meeresspiegel in der Nähe dieser Massen oft etwas höher. Wenn das Eis schmilzt, sinkt diese Anziehungskraft Grönlands und es zieht das Wasser im umliegenden Meer in geringerem Maße an. Der lokale Meeresspiegel kann sich dadurch sogar senken. Das Abschmelzen von Grönland muss sich also auf Europa nicht negativ auswirken, wenigstens nicht was den Meeresspiegelanstieg betrifft.

Die GRACE-Messungen zeigen auch, dass die Antarktis Eis verliert, vor allem in der Westantarktis. Das Ausmaß beträgt etwa 180 Gt/Jahr, was einem mittleren Meeresspiegelanstieg von 0,5 Millimetern pro Jahr entspricht. Den Schwerefeldmessungen nach verlieren aber auch Inlandgletscher wie in Alaska und Patagonien an Masse. Verglichen mit Grönland und der Westantarktis fällt dies vielleicht weniger ins Gewicht. Das Abschmelzen ist aber ein klares Indiz für den globalen Wandel.

Die GOCE (Mission Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) misst auch kleinräumigere Veränderungen

Die GOCE (Mission Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) misst auch kleinräumigere Veränderungen

Flüsse, Grundwasser und Erdbeben hinterlassen Schwere-Spuren
Selbst kleinräumigere Änderungen in der Wasserverteilung sind durch die Satellitengravimetrie auszumachen - wie beispielsweise die Wassermenge in Flussbecken. Der Amazonas scheint nach solchen Messungen schwerer, also nasser, zu werden, genauso wie der Sambesi. In Kalifornien, im mittleren Osten und in Nordindien deuten die Daten dagegen klar auf eine Grundwasserentnahme für Bewässerungszwecke hin. Wenn das Wasser abgepumpt ist, verdunstet es schnell und dies macht sich als Verringerung des Schwerefelds bemerkbar.

Interessant ist auch die Änderung des Schwerefeldes durch das Sumatra-Andaman Erdbeben, Dezember 2004. Selbstverständlich geht es hier nicht um einen langsamen Bewegungsvorgang, die man in Zentimeter pro Jahr ausdrücken sollte, sondern um eine ruckartige Änderung des Schwerefeldes. Ob der Stärke der Massenänderung hat sich dieser Sprung in die Karte eingeschlichen. Es zeigt auf jeden Fall, dass die GRACE-basierten Schwerefeldänderungen nicht nur Objekt der hydrologischen Forschung und Eisforschung ist, sondern auch der Geophysik.
Blick für die Höhen und Tiefen
Das Prinzip der Satellitenaltimetrie
Vermessung der Meereshöhen durch Altimetrie, hier mit den Satelliten Topex/Poseidon

Vermessung der Meereshöhen durch Altimetrie, hier mit den Satelliten Topex/Poseidon

Während die Satellitengravimetrie die Verteilung großer Massen auf der Erde erfasst, misst die Satellitenaltimetrie die Geometrie - die Senken und Erhebungen der Landschaft, des Ozeans oder des Eises. Das Messprinzip ist einfach: Der Satellit sendet einen Radarpuls nach unten, dieser wird beispielsweise an der Meeresoberfläche reflektiert und zum Satelliten zurückgeworfen. Wenn man die Satellitenbahn und vor allem seine Flughöhe genau kennt, zum Beispiel aus GPS-Messung, lässt sich aus der Laufzeit der Radarwellen die Höhe der Meeresoberfläche bestimmen. So wird ein Profil der Erde direkt unterhalb der Satellitenbahn abgestreift, die sogenannte Bodenspur.

Gezeiten, EL Nino und Co
Seit nunmehr drei Jahrzehnten kommt die Satellitenaltimetrie zum Einsatz. Eine amerikanisch-französische Zusammenarbeit hat dafür eine Generation von Altimeter-Missionen hervorgebracht mit Namen wie Topex/Poseidon oder Jason. Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA nutzt Satelliten wie ERS und Envisat für solche Messungen. Im Rahmen des europäischen Erdbeobachtungsprogramms „Global Monitoring for Environment and Security“ (GMES) wird bald der Envisat-Nachfolger Sentinel-3 ins All starten.

Karte der Veränderungen des Meeresspiegels seit 1993 - gemessen per Satellit

Karte der Veränderungen des Meeresspiegels seit 1993 - gemessen per Satellit

Die Satellitenaltimetrie wurde in erster Linie zur Beobachtung der Meeresoberfläche entwickelt. In der Ozeanografie hat sie daher auch große Erfolge vorzuweisen: Gezeitenmodelle konnten mit hoher Genauigkeit verfeinert werden, die globale Ozeanzirkulation und deren Änderungen werden kontinuierlich verfolgt, kleinräumigere Strukturen wie Wirbel oder Tsunamis werden erfasst, das El-Niño Phänomen konnte genauer erforscht werden, und so weiter.

Meeresspiegelanstieg konkret
Aber auch in der Klimaforschung ist der Meeresspiegel eine besonders wichtige Größe. Die Satellitenaltimetrie erlaubt ein langfristiges Monitoring der Meeresoberflächen mit hoher Genauigkeit und homogener räumlicher Abdeckung. Nur so können zuverlässig Schätzungen des Anstiegs ermittelt werden und beispielsweise in den Berichten des Weltklimarats IPCC eine tragende Rolle spielen. Die Altimeter-Messungen ermöglichen es beispielsweise, festzustellen, wo der Meeresspiegel steigt und wo er fällt.

Meeresspiegel-Veränderungen während eines El Nino

Meeresspiegel-Veränderungen während eines El Nino

Wird die Meereshöhe über mehrere Jahre hindurch gemessen, lässt sich auch die Überlagerung von generellem Anstieg und Jahresgang gut erkennen und voneinander trennen. Zusätzlich gibt es aber auch sogenannte interannuelle Effekte, wie beispielsweise das El-Niño Phänomen, die den Meeresspiegel in bestimmten Regionen im Zyklus mehrerer Jahre schwanken lassen können. Die Daten der verschiedenen Altimetersatelliten geben aber hier, trotz Differenzen, ein konsistentes Bild.
Flüsse im Visier
Wie die Satellitenaltimetrie auch in der Hydrologie helfen kann
Richtig interessant wird die Satellitengeodäsie aber erst in der Kombination aus gravimetrischem und geometrischem Verfahren. Denn kombiniert man die mittels Schwerefeld gemessenen Massenänderungen von Eisschilden oder Flüssen mit den per Altimeter ermittelten Veränderungen des Meeresspiegels, lässt sich zum Beispiel bestimmen, wie viel vom Meeresspiegelanstieg auf die Eisschmelze zurückgeht, und wie viel auf die thermische Ausdehnung - die Tatsache, dass Wasser mehr Raum einnimmt, wenn es sich erwärmt. Da diese Werte bestimmt werden können, ohne Modellierung oder klimatische Annahmen zu Hilfe zu nehmen, sind solche unabhängigen Messungen eine wichtige Stütze für die Stellungnahmen in den IPCC-Berichten.

Altimeter-Messungen am  Donaudelta mit Hilfe des Cryosat-Satelliten

Altimeter-Messungen am Donaudelta mit Hilfe des Cryosat-Satelliten

Erster Blick auf die Flüsse
Seit einigen Jahren versucht man, auch größere Binnenseen, Speicherseen und sogar breite Flüsse mit Hilfe der Satellitengeodäsie zu beobachten. Denn obwohl der globale Wasserkreislauf einen der wichtigsten Prozesse im System Erde darstellt, ist er bisher messtechnisch relativ schlecht erfasst. Die Abflüsse aus den großen Flusssystemen weltweit werden hauptsächlich an terrestrischen Pegelmessstationen gemessen und die Daten beispielsweise am „Global Runoff Data Centre“ (GRDC) der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz gesammelt.

Leider deckt diese Datenbank weder räumlich noch zeitlich die Kontinente komplett ab, die Abdeckung ist sogar seit einigen Jahren rückgängig. Ein Grund dafür: Viele nationale hydrologische Behörden stellen ihre Daten nicht mehr zur Verfügung oder dünnen ihre Messnetze aus. Ähnliches gilt für die Beobachtung weiterer hydrologischer Variablen wie Niederschlag oder Verdunstung. Satellitengestützte Beobachtung scheint hier die einzige Möglichkeit, dem Problem zu begegnen.

Hilfe über Altimeter-Pegel
Die klassische Satellitenaltimetrie eröffnet hier gewisse Möglichkeiten, wenn auch mit Einschränkungen: Der Bodenfußpunkt einer Altimetermessung - also der Bereich, wo die Radarwellen auf die Meeresoberfläche treffen - hat einen Durchmesser von etlichen Kilometern. Daher können damit nur größere hydrologische Objekte erfasst werden. Zudem misst ein Altimeter nur die Höhe, also den See- oder Flusspegel. Dies ist aber aus hydrologischer Sicht weniger relevant, denn sie benötigt Abflussdaten.

Mit dem Altimetersatelliten Envisat
bestimmte Flusspegelstände. (rot: Fehlerspanne)

Mit dem Altimetersatelliten Envisat bestimmte Flusspegelstände. (rot: Fehlerspanne)

Forscher am geodätischen Institut der Universität Stuttgart erforschen zurzeit, wie sich diese Einschränkungen beheben lassen. Konkret sind ihre Fragen: Welche hydrologischen Objekte kann die Satellitenaltimetrie (noch) erfassen? Kann eine Zeitreihe von Höhenmessungen in Abflussinformation umgewandelt werden?

Amazonas als Testfall
Ein erstes Ergebnis dabei: Die zweite Frage kann in Prinzip mit einem Ja beantwortet werden. Messungen zeigen, dass die Abflusszeitreihen sehr stark mit den Flusspegelständen korrelieren. Die entscheidende Frage ist dabei aber, ob vergangene Abflussdaten die richtige statistische Information besitzen, um heutige Altimetermessungen in Abflussinformation umzuwandeln. Um das herauszufinden, nehmen die Forscher ein Flussbecken mit ausreichend Abflussdaten aus unterschiedlichen Zeiten - vor und während der Vermessung per Satellitenaltimetrie.

Amazonasausläufer

Amazonasausläufer

Auf Basis der alten Abflussdaten entwickeln die Forscher dann ein Modell, mit dem sie auch die heutigen Abflüsse aus den Pegeln ermitteln können. Passen die Ergebnisse daraus dann zu den tatsächlich heute gemessenen Abflüssen, dann zeigt dies, dass die Methode funktioniert. Beim Amazonas wurde genau diese Art von Validation durchgeführt. Es zeigte, dass diese Form der indirekten Abflussmessung Ergebnisse mit weniger als zehn Prozent Fehler liefert.

Dieses Ergebnis bestätigt sich in der Analyse weiterer Flüsse. Die Satellitenaltimetrie stellt somit als Beobachtungssystem eine wesentliche Ergänzung für die Hydrologie dar. Für die wichtigsten (weil größten) Flusssysteme der Welt können im Zeitraum der Satellitenaltimetrie Abflussinformationen hergestellt werden mit einer Qualität, die für die hydrologische Modellierung ausreicht.
Die Zukunft
Was kommt nach GRACE und Co?
Diese Beispiele zeigen, dass die Vermessung mit Satelliten wertvolle Informationen für die Klimaforschung und die Hydrologie liefern kann. Aber wie sieht es in Zukunft mit diesen Verfahren aus?

CryoSat kann selbst die Eisdicke von freischwimmenden Schollen mittels Altimetrie bestimmen.

CryoSat kann selbst die Eisdicke von freischwimmenden Schollen mittels Altimetrie bestimmen.

Altimetrie: Bald genau genug für Flüsse
Die Satellitenaltimetrie ist mit der geplanten europäischen Mission Sentinel-3 für die nächste Zukunft gesichert. Auch weitere Altimetersatelliten werden im All tätig sein. Zum Beispiel leistet sich China als aufstrebende Weltraummacht unter dem Namen Hai-Yang eine Flotte von Ozeanbeobachtungssatelliten, darunter auch einen Altimetersatelliten.

Vor allem hydrologische Anwendungen werden dabei künftig nur an Bedeutung gewinnen. Durch verbesserte Messtechniken und eine bessere Raum-Zeit-Abtastung können künftig auch kleinere hydrologische Objekte erfasst werden. Aus der amerikanisch-französischen Schiene der Topex/Poseidon und Jason-Satelliten wurde zum Beispiel das Konzept der SWOT-Altimetrie geboren. Mit InSAR-Technik soll dabei nicht nur im Fusspunkt gemessen werden, sondern in einem breiten Streifen um die Bodenspur herum. Ähnliches wird im deutschen TanDEM-L Konzept des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) vorgeschlagen.

Kaum Verbesserungen in der Gravimetrie in Sicht
Die Zukunft der Satellitengravimetrie ist dagegen weniger sicher. GRACE war die erste Mission, die überhaupt in der Lage war, zeitliche Variationen im Schwerefeld mit hoher räumlicher Auflösung zu beobachten. Obwohl noch immer messbereit, ist die Mission schon lange über ihre „Haltbarkeitsfrist“ hinaus. Vermutlich wird sie noch dieses Jahr beendet.

Die Gravimetrie-Mission GOCE der ESA ist 2009 gestartet

Die Gravimetrie-Mission GOCE der ESA ist 2009 gestartet

Eine GRACE-Nachfolgemission wurde von US-amerikanischer und von deutscher Seite genehmigt. Sie wird aber voraussichtlich erst ab 2017 fliegen. Die Nachfolgemission wird in Prinzip dieselbe Hardware an Bord haben, so dass nicht mit besseren Genauigkeiten oder einer besseren räumlichen Auflösung gerechnet werden darf. Verbesserte Satellitengravimetrie-Missionen werden zwar untersucht und konzipiert, eine genehmigte Mission liegt aber noch nicht vor.

Der Blick aus dem All ist vom Charakter her global und synoptisch, wodurch man das Gesamtsystem „Erde“ besser verstehen lernt. Wichtig dabei ist jedoch, dass die Messreihen langfristig angelegt sind. Eine Zeitreihe von zehn Jahren reicht im Rahmen einer Klimadebatte schlichtweg nicht. Kontinuität kann wichtiger sein als hohe Genauigkeit.
(Nico Sneeuw, Mohammad J. Tourian, Balaji Devaraju / Universität Stuttgart,06.09.2013)