Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist eine gemeinsame Mission des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ und der US-Raumfahrtagentur NASA. Hier setzt sich die gute Zusammenarbeit zwischen beiden Ländern fort, die bereits bei der Vorgängermission GRACE begonnen hatte. So wurden beispielsweise die beiden Satelliten erneut von Airbus in Friedrichshafen gebaut, im Auftrag des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien). Auch in Wissenschaft und Technologieentwicklung gibt es vielfältige Kooperationen. Sie werden maßgeblich durch Mittel aus dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie aus dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt. Im konkreten Fall hat Deutschland Mittel in Höhe von 77,7 Millionen Euro zu der Mission beigetragen. Der Anteil des GFZ darin umfasst rund 20 Millionen Euro. Die Beiträge der NASA belaufen sich auf rund 430 Millionen Dollar (ca. 360 Millionen Euro). Das GFZ ist als Missionspartner der NASA führend an der Erhebung und Auswertung der Daten beteiligt.
Bundesforschungsministerin Anja Karliczek sagt: „Die Mission GRACE Follow-On wird durch die Langzeitmessung der Veränderungen im Schwerefeld der Erde wesentliche Beiträge zum Verständnis des Klimawandels auf unserer Erde, seiner Ursachen und des Einflusses des Menschen auf das Klima liefern. Diese Mission zeigt eindrücklich, wie Forschung in Deutschland zum Erfolg großer, internationaler Projekte beiträgt.“
Grundlage der Forschungen dieser Mission ist der Umstand, dass die Massenverteilung im Erdkörper und auf der Oberfläche unseres Planeten nicht überall gleich ist. Im Erdinneren bewegen sich glutflüssige Gesteinsmassen, Wassermassen fließen in den Ozeanen und auf den Kontinenten, und auch die Luftmassen sind in stetiger Bewegung. Da die Anziehungskraft eines Körpers von seiner Masse abhängt, hat die ungleiche Massenverteilung unseres Planeten ein ungleichförmiges Feld der Gravitation zur Folge.
Die in einem Abstand von rund 220 km hintereinander fliegenden Satelliten der Mission GRACE-FO werden daher, zeitlich etwas versetzt, mal stärker und mal schwächer angezogen – je nachdem, wie viel Masse sich unter ihnen befindet. Dies führt zu einer kleinen Änderung des Satellitenabstandes, der dank eines präzisen Mikrowellenverfahrens bis auf einige Tausendstel Millimeter genau bestimmt wird. Zum Vergleich: Bezogen auf die Strecke Potsdam – Hannover kann eine Längenänderung erfasst werden, die dem Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Als Ergebnis können damit auch geringe Massenunterschiede im System Erde erfasst werden. Da die beiden Satelliten kontinuierlich die Erde umkreisen, können sowohl örtliche als auch zeitliche Änderungen des Schwerefeldes dokumentiert werden.
„Primäres Missionsziel ist die Erstellung globaler monatlicher Schwerefeldkarten. Mit Hilfe dieser Daten können verschiedene Veränderungen im System Erde rekonstruiert werden“, erläutert Prof. Frank Flechtner, leitender Wissenschaftler der Mission vom GFZ. So habe die Vorgängermission GRACE gezeigt, dass der Eismassenverlust in Grönland zwischen 2002 und 2016 rund 270 Milliarden Tonnen pro Jahr betrug. Flechtner: „GRACE-FO wird die Entwicklung in Grönland, aber auch in der Antarktis und anderen Eisregionen, weiterhin verfolgen und aktuelle Daten liefern.“
Überdies kann die Mission Veränderungen der Grundwasserstände in großen Becken erfassen – ohne, dass Messungen vor Ort erforderlich sind. Dazu gehören sowohl Verluste, wie sie jüngst in Kalifornien oder im Nahen Osten beobachtet wurden, als auch zunehmende Wassermassen im Untergrund. Dieser Fall ist für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ebenso spannend, denn ein gut gefüllter Grundwasserleiter hat zur Folge, dass nach ergiebigen Regenfällen weniger Wasser versickert und damit die Überflutungsgefahr steigt. GRACE-FO soll helfen, diese Bedrohung frühzeitig zu erkennen.
Die Messdaten sind auch für den marinen Bereich wichtig. Dort dienen sie etwa dazu, den Meeresspiegelanstieg zu erforschen. Anhand von Schwerefelddaten lässt sich ermitteln, wie groß der Anteil von zusätzlichem Wasser – beispielsweise von schmelzenden Gletschern – an den steigenden Pegeln ist und welcher Anteil auf die wärmebedingte Ausdehnung des vorhandenen Meerwassers zurückzuführen ist. Weiterhin werden die Daten von GRACE-FO herangezogen, um Ozeanströmungen zu erforschen.
Ein weiteres Ziel ist die Messung von Zustandsparametern der Atmosphäre mit Hilfe der sogenannten GPS-Radiookkultation. Darüber hinaus tragen die Satelliten als Technologiedemonstrator ein neues laserbasiertes System zur Entfernungsmessung (Laser Ranging Interferometer LRI), das am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover) zusammen mit dem NASA Jet Propulsion Laboratory entwickelt wurde. Dieses kann die Distanz zwischen den zwei Raumfahrzeugen noch genauer bestimmen als bisher: bis auf 80 Nanometer, was etwa dem Durchmesser eines Virus entspricht. Eine deutlich verbesserte Abstandsmessung zwischen den beiden Satelliten bedeutet, dass auch die erhobenen Schwerfelddaten nochmals genauer sind.
„GRACE Follow-On wird an den Erfolg von GRACE anknüpfen: in wissenschaftlicher Hinsicht, wo wir uns eine Vielzahl neuer Erkenntnisse zu klimabedingten Veränderungen auf der Erde erwarten, aber auch in Bezug auf die enge Kooperation zwischen Deutschland und den USA, die sich bereits in der Vorbereitung als sehr gewinnbringend erwiesen hat“, sagt Prof. Michael Watkins, Wissenschaftlicher Leiter der Mission und Direktor des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien).
Nach dem erfolgreichen Start werden die Raumfahrzeuge zunächst im Orbit schrittweise in Betrieb genommen und für den dauerhaften Einsatz vorbereitet. Für den Sommer rechnen die beteiligten Forscherinnen und Forscher mit die ersten wissenschaftlichen Daten. Die Mission ist geplant für eine Dauer von zunächst fünf Jahren, eine Verlängerung ist möglich.
