Wissenschaftlicher Hintergrund (Status vor Champ)

Zu den zentralen Aufgaben der Geowissenschaften zählt, das komplexe System Erde zu beobachten, zu beschreiben und zu verstehen. Die auf der Erde ablaufenden Prozesse weisen eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität auf. Die Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Komponenten des Systems, mit festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteilen, laufen darüber hinaus auf unterschiedlichen Zeitskalen ab. Um dieses komplexe und heterogene System zu verstehen und die ablaufenden Prozesse zwischen und innerhalb dieser Teilsysteme zu beschreiben, ist die Erhebung langer und großräumiger Datenreihen nötig. Um unsere Umwelt mathematisch bzw. physikalisch zu beschreiben, werden numerische Modelle entwickelt, validiert und stetig verfeinert, die einen erheblichen Bedarf an Computerressourcen nach sich ziehen. Homogene Datensätze können bisher nur durch Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen erhoben werden, die uns globale, langfristige und umfassende Analysen ermöglichen. Gegenüber der direkten Messung am Boden ist die Datenerfassung via Satellit mit einer geringeren räumlichen Auflösung verbunden, was auf die sinkende Empfindlichkeit der Sensoren mit zunehmender Höhe zurückgeht. Die größtmögliche Informationsbreite ergibt sich durch die Kombination von regionalen Daten (z.B. aus Bodenerhebungen oder Flugzeugdaten) mit Satellitendaten.

Obwohl eine Vielzahl von Erkenntnissen über das System Erde gewonnen wurden, bleiben hinsichtlich der Dynamik der festen Erde, des Ozeans und auch der Interaktionen mit der Atmosphäre eine Reihe von fundamentalen Fragen noch unbeantwortet. Die globale Modellierung von Geopotentialfeldern wie z.B. des Gravitationspotentials der Erde und des Erdmagnetfelds, liefern wertvolle Informationen über Struktur und Zusammensetzung unseres Planeten und der Prozesse, die ihn formen. Die Entwicklung von numerischen Modellen bildet nach wie vor eine der grundlegenden Forschungsfelder in der Geodäsie und Geophysik. Globale Modelle für das Erdschwere- und Magnetfeld und deren zeitliche Variabilität können, ein gewisses Maß an Genauigkeit und Auflösung vorausgesetzt, grundlegende Referenzdaten für die Navigation, Erkundung, Meereszirkulation und Meeresspiegelschwankungen liefern.

Die bisher genutzten Satellitensysteme, Beobachtungssysteme und Analysemethoden können das Erdschwerefeld und –magnetfeld nicht mit erwünschter Genauigkeit auflösen, sodass unser Wissen über die Geosphäre und Ozeandynamik begrenzt ist. Seit den späten 1970ern wurde auf diese Defizite hingewiesen und in verschiedenen ESA- und NASA-Studien untersucht, welche Möglichkeiten durch neue Beobachtungsmethoden und zukünftige Satellitenmissionen entstehen. Von den vorgeschlagenen Missionen zur Untersuchung des Schwerefelds und Magnetfelds wurde bis 1994 allerdings nur die MAGSAT Magnetfeld Mission (1979-1980) realisiert.

Aufgrund dieser Situation haben GFZ-Wissenschaftler im Jahr 1994, mit Prof. Christoph Reigber als PI, eine Kleinsatelliten-Mission veranlasst, unter Nutzung des Förderprogramms für die ostdeutsche Weltraum-Industrie der Deutschen Agentur für Weltraumangelegenheiten DARA (1997 eingegliedert in das DLR). Die Instrumente und Bahneigenschaften des Satelliten in mittlerer bzw. tiefer Umlaufbahn würden die gleichzeitige Messung erlauben und damit die Modelle des Schwerefelds und des Magnetfelds drastisch verbessern. Folgende Meßinstrumente waren für CHAMP vorgesehen:

Schwerefeld: eine neue Generation von GPS Empfängern für die kontinuierliche Lagebestimmung und Messung von Störungen der Satellitenbahn mittels der GPS-Satelliten und ein hochpräzises dreiachsiges Akzelerometer zur Messung der Beschleunigung. 

Magnetfeld: ein hoch leistungsfähiges Fluxgate Magnetometer für die Messung der drei Komponenten des umgebenden Magnetfelds im Sensorsystem, in Kombination mit einer Sternkamera, die die Ausrichtung der Messvorrichtung in Bezug auf den Sternenhimmel messen sollte und ein skalares Overhauser Magnetometer als magnetisches Referenzinstrument.

Atmosphäre/Ionosphäre: die Messinstrumente zur Bestimmung des Erdschwerefelds und des Magnetfelds können gleichzeitig für Messungen des Zustands und der Dynamik der neutralen Atmosphäre und Ionosphäre genutzt werden. GPS Radio Okkultation- Messungen dienen der Ableitung von Temperatur- und Wasserdampf-profilen. Das Messinstrument zur Bestimmung des elektrischen Felds ist ein Ionendrift-Instrument. Die Elektronendichte lässt sich durch GPS Radio-Messung bestimmen und die Dichte der neutralen Atmosphäre wird abgeschätzt aus Messungen des hochauflösenden Akzelerometers.

Die Primärziele der CHAMP Mission waren:

  • die Beschreibung der hochpräzisen globalen langwelligen Eigenschaften des statischen Erdschwerefelds und der zeitliche Variabilität des Felds
  • die globale Bestimmung des magnetischen Kernfelds und des Krustenfelds der Erde sowie deren zeitliche und räumliche Variabilität mit bisher unerreichter Genauigkeit
  • die Aufzeichnung von vielen Messungen zur Beugung von GPS-Signalen in der Atmosphäre und Ionosphäre. Diese Daten geben Ausfschluss über die Verteilung von Temperatur, Wasserdampf und Elektronengehalt.

Die multifunktionale und komplementäre Instrumentierung auf CHAMP diente der besseren Beschreibung des Systems Erde und deren Teilsysteme:

  • Geosphäre: Untersuchung der Struktur und Dynamik der festen Erde einschließlich des Erdkerns, des Mantels bis hin zur Kruste, Untersuchung der Wechselwirkungen mit dem Ozean und der Atmosphäre
  • Hydrosphäre: Genauere Überwachung von Meeresströmungen, Meeresspiegelschwankungen, kurzfristige Änderungen der Wasserbilanz und Wechselwirkungen mit Wetter und Klima
  • Atmosphäre: globale Sondierung der vertikalen Schichten der neutralen und ionisierten Gasschichten der Erde und der Zusammenhänge mit dem Wetter der Erde und dem Weltraumwetter.

Kontakt

Herr Prof. Dr. Hermann Lühr
Geomagnetismus

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