Europäischer Satellit liefert die bisher detaillierteste Ansicht des Gravitationsfeldes der Erde

Subtile Gravitationsunterschiede auf der Erdoberfläche werden mit beispielloser Genauigkeit von dergravity Field und Steady-StateODERceanCzirkulationUNDEntdecker(FREUDE)Satelliten, gebaut und betrieben von der Europäischen Weltraumorganisation. Die Daten werden Wissenschaftlern eine leistungsstarke Grundlage für die weitere Erforschung der Ozeanzirkulation, der Veränderung des Meeresspiegels, der Struktur und Dynamik des Erdinneren sowie der Bewegungen der tektonischen Platten der Erde bieten, um Erdbeben und Vulkane besser zu verstehen.


GOCE wurde am 17. März 2009 von derKosmodrom Plesetskin Nordrussland. Es wurde von einer modifizierten interkontinentalen ballistischen Rakete in die Umlaufbahn gebracht (die nach dem Vertrag über die Reduzierung strategischer Waffen stillgelegt wurde). Das wichtigste Datenerfassungsinstrument des Satelliten heißt aGradiometer; es erkennt sehr kleine Variationen der Gravitationskraft, während es sich über die Erdoberfläche bewegt. Es gibt auch einGlobales Positionsbestimmungssystem (GPS)Empfänger, der mit anderen Satelliten zusammenarbeitet, um nicht-gravitative Kräfte zu identifizieren, die GOCE beeinflussen können, sowie ein Laserreflektor, der es ermöglicht, GOCE von bodengestützten Lasern zu verfolgen.

Animation des GOCE-Geoids. Bildnachweis: ESA.
Diese Animation einer rotierenden „kartoffelähnlichen“ Erde zeigt ein sehr genaues Modell der ErdeGeoiderstellt aus von GOCE erhaltenen Daten und veröffentlicht am 31. März 2011 beim Vierten Internationalen GOCE User Workshop in München, Deutschland. Farben repräsentieren Höhenabweichungen (–100 bis +100 Meter) von einem „idealen“ Geoid. Die blauen Farben stehen für niedrige Werte und die Rot-/Gelbtöne für hohe Werte. Dieses Geoid stellt keine tatsächlichen Oberflächenmerkmale der Erde dar. Stattdessen handelt es sich um ein komplexes mathematisches Modell, das aus GOCE-Daten erstellt wurde und in stark übertriebener Weise die relativen Unterschiede der Schwerkraft über die Erdoberfläche hinweg zeigt. Man kann es sich auch als die Oberfläche eines „idealen“ globalen Ozeans vorstellen, der nur durch die Schwerkraft geformt wird, ohne den Einfluss von Gezeiten und Strömungen.


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Wissenschaftlich ist ein Geoid definiert als einÄquipotentialfläched.h. eine Oberfläche, die immer senkrecht zum Gravitationsfeld der Erde steht. Eine Abbildung im Wikipedia-Eintrag dazu, unten gezeigt, bietet eine allgemeine Beschreibung: In der Abbildung zeigt das Lot (ein an einer Schnur befestigtes Gewicht) an jeder Stelle immer nach unten in Richtung des Erdschwerpunkts. Daher ist eine hypothetische Oberfläche, die senkrecht zu diesem Lot steht, eine lokale Geoidoberfläche. Mathematisch zusammengefügt und auf einen mittleren Meeresspiegel kalibriert, bilden diese senkrechten Oberflächen an vielen Stellen um die Erde ein Geoid, ein Modell dafür, wie sich die Schwerkraft über der Erdoberfläche ändert.

Diagramm zur Veranschaulichung der grundlegenden Konzepte zum Erstellen eines Geoids. Die Abbildung zeigt: 1. Ozean; 2. ein Referenzellipsoid; 3. lokales Lot; 4. Kontinent; 5. Geoid. Bildquelle: MesserWoland über Wikimedia Commons.

Die Gravitations-„Landschaft“ eines Geoids basiert ausschließlich auf der Masse und Morphologie der Erde. Würde sich die Erde nicht drehen, gäbe es keine Luft-, See- oder Landbewegungen und wäre das Erdinnere gleichmäßig dicht, wäre ein Geoid eine perfekte Kugel. Die Rotation der Erde führt jedoch dazu, dass die Polarregionen leicht abgeflacht werden, wodurch die Erde zu einem Ellipsoid anstelle einer Kugel wird. Dadurch ist die Schwerkraft an den Polen etwas stärker als am Äquator. Kleinere Variationen der Schwerkraft über der Erdoberfläche werden durch Unterschiede in der Dicke und Gesteinsdichte der Erdkruste sowie durch Dichteunterschiede und Konvektion tief im Erdinneren verursacht.




Wissenschaftler können das auf GOCE-Daten basierende hochauflösende Geoid als Gravitationsbezugssystem für andere erdwissenschaftliche Untersuchungen verwenden. Ozeanzirkulation, Änderungen des Meeresspiegels und das Abschmelzen von Eiskappen – wichtige Indikatoren für den Klimawandel – verursachen Schwankungen der tatsächlichen Meeresoberflächenhöhen, die von anderen Erdobservatorien gemessen werden können. Diese Beobachtungen, kalibriert mit einem guten Geoidmodell, werden erheblich dazu beitragen, die Klimadynamik der Erde besser zu verstehen.

Auch Dichteunterschiede und Konvektion im Erdmantel beeinflussen das Gravitationsfeld. Das Geoidmodell von GOCE zeigt beispielsweise eine „Depression“ im Indischen Ozean und „Plateaus“ im Nordatlantik und Westpazifik. Schwerkraftdaten könnten Signaturen von starken Erdbeben und Vulkanen zeigen und Erkenntnisse liefern, die Wissenschaftlern helfen könnten, diese Naturkatastrophen eines Tages vorherzusagen. Es gibt auch wichtige Anwendungen in Geoinformationssystemen, Bauingenieurwesen, Kartierung und Exploration, die durch ein verfeinertes Geoidmodell verbessert werden.

Ingenieure arbeiten an GOCE GOCE im Reinraum des Kosmodroms Plesetsk in Russland. Bildquelle: ESA.

Seit seinem Start im März 2009 sammelt GOCE, abgesehen von einer kurzen Zeit für die Überprüfung von Raumfahrzeugsystemen und einer vorübergehenden Betriebsstörung, Daten über das Gravitationsfeld unseres Planeten, während er die Erde in einer ungefähren Nord-Süd-Richtung (polare Umlaufbahn) umkreist eine Höhe von nur 250 Kilometern. Dies ist ungewöhnlich niedrig für eine erdnahe Umlaufbahn, aber es ist erforderlich, da die besten Gravitationsfeldmessungen erhalten werden, wenn GOCE der Erdoberfläche so nahe wie möglich kommt und gleichzeitig seine Umlaufbahn beibehält. Die aerodynamische Form des Satelliten hilft, ihn zu stabilisieren, während er über den Rand der Atmosphäre streicht, aber die verdünnte Luft verursacht unweigerlich einen Widerstand am Satelliten, der ihn verlangsamt. Um seine Umlaufgeschwindigkeit beizubehalten, verwendet GOCE daher sein Ionenantriebssystem, um sich gelegentlich selbst zu beschleunigen.


Die Mission sollte ursprünglich 20 Monate dauern, die geschätzte Zeit, die GOCE benötigt hätte, um seinen gesamten Treibstoff zu verbrauchen. Aber ein ungewöhnlich ruhiges Minimum des Sonnenzyklus hatte die obere Atmosphäre ausgedünnt und den Luftwiderstand des Satelliten verringert, was es ihm ermöglichte, Treibstoff zu sparen. Da noch Treibstoffreserven vorhanden sind, wurde die Mission bis Ende 2012 verlängert, sodass GOCE weiterhin Daten sammeln kann, die die bereits hohe Präzision der Schwerkraftmessungen erhöhen.

Künstlerische Darstellung von GOCE im Orbit über der Erde. Eine Seite des Satelliten ist immer der Sonne zugewandt. Sonnenkollektoren, die auf der „Sonnenseite“ montiert sind, versorgen das Raumfahrzeug mit Strom. Sie bestehen aus Materialien, die Temperaturen von bis zu 160 °C (320 °F) und bis zu -170 °C (-274 °F) standhalten. Bildquelle: ESA.

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