Entwicklung, Betrieb und Auswertung von Schwerefeldsatellitenmissionen

Die Figur unseres Planeten weicht aus vielerlei Gründen grundlegend von der einer  idealen Kugel ab. Zunächst ist die Erde näherungsweise ein Ellipsoid, welches durch die Erdrotation am Äquator ausgebaucht und an den Polen abgeplattet ist. Zusätzlich „zerknittern“ hohe Berge auf den Kontinenten und tiefe Täler in den Ozeanen ihre Oberfläche. Interessanter aus geowissenschaftlicher Sicht sind jedoch die räumlichen und zeitlichen Variationen des Erdschwerefeldes, die zusätzliche Abweichungen von  einer idealen Kugel bewirken. Diese Abweichungen werden durch die  von der Mantelkonvektion ausgelösten großräumigen Massenverlagerungen verursacht und werden entweder in Bewegungen des ganzen Erdkörpers wie der Variation der Erdrotation oder Teilbewegungen, wie der Deformation der Lithosphäre (z.B. sichtbar im mittelatlantischen Rücken), Subduktionszonen, Plattenkinematik, Vulkanismus oder Erdbeben sichtbar. Zusätzlich verursachen die luni-solare Gravitation, atmosphärischer Druck und Winde, Ozeanzirkulation und -Tiden, Ozeanbodendruck, Variationen im kontinentalen Wasserkreislauf oder das Abschmelzen des Eises in den Polarregionen oder in den großen Gletschersystemen räumliche und zeitliche Variationen des Schwerefeldes.

Um diese Massenverteilung und Massentransporte des Systems Erde in einem globalen Maßstab, mit einheitlicher und hoher Genauigkeit und über möglichst lange Zeitskalen beobachten zu können, benötigt man dedizierte Schwerefeldsatellitenmissionen. Diese Missionen werden in unserer Sektion gemeinsam mit der deutschen Industrie und der NASA entwickelt, in Kooperation mit dem German Space Operation Center (GSOC) des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt betrieben und mit einer den internationalen Standards entsprechenden Software (EPOS) im Thema 3 ausgewertet.

GFZ-1, der erste Satellit des GFZ, war ein kleiner, passiver, kugelförmiger Satellit, der mit 60 Retroreflektoren ausgestattet war, die vom globalen Netz der Satellite Laser Ranging (SLR) Bodenstationen am Ende des letzten Jahrhunderts angemessen wurden, um in der Kombination mit anderen geodätischen Satelliten unser Verständnis vom Schwerefeld der Erde zu verbessern. Dies hat sich seit Beginn des neuen Jahrtausends durch eine neue Generation von LEO (Low Earth Orbiting) Satelliten, die mit GPS-Empfängern sowie hochpräzisen Beschleunigungs- und Inter-Satelliten-Abstandsmessern ausgestattet sind und damit das Schwerefeld und erstmals auch dessen zeitliche Variationen beobachten, nochmal entscheidend verbessert.

Die Missionen CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload, 2000-2010) und GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, 2009-2013), als auch die Zwillingssatelliten von GRACE (Gravity Recovery and Climate Mission, 2002-2017) sind dabei mit hochsensitiven Instrumenten ausgestattet, die es erlauben auch kleinste durch Veränderungen im Erdschwerefeld verursachte Beschleunigungen zu beobachten. Das GFZ spielte bzw. spielt dabei eine führende Rolle in der Entwicklung, im Betrieb und in der Auswertung dieser modernen Satellitenmissionen. So sind wir Teil des gemeinsamen deutsch/amerikanischen wissenschaftlichen Auswertesystems von GRACE und stellen den Deputy Operations Mission Manager, waren Mitglied in der GOCE High Level Processing Facility der ESA und entwickeln im Rahmen eines Memorandum of Understanding mit der NASA die GRACE-Nachfolgemission GRACE-FO (Follow-on), die im Frühjahr 2018 gestartet werden soll.

Die dabei entstehenden verschiedenen statischen und zeitvariablen EIGEN (European Improved Gravity model of the Earth by New techniques) Schwerefeldmodelle werden in vielen Anwendungen der Erdwissenschaften benutzt, um z.B. den globalen kontinentalen Wasserkreislauf, das Abschmelzen großer Gletschersysteme oder Oberflächen- und Tiefenströmungen in den Ozeanen zu beobachten. Dabei sind die sogenannten 'statischen satellite-only (rein aus Satellitendaten berechneten) Modelle' von besonderer Bedeutung, da sie völlig unabhängig von Bodendaten berechnet wurden. Diese Modelle werden zusätzlich (im Thema 2) mit terrestrischen Schweredaten zu ultra-hochauflösenden Schwerefeldmodellen kombiniert.

Die wichtigsten Projekte des Themas 1 sind:

  • Implementierung und Management der deutschen Anteile der NASA/GFZ GRACE-FO Mission wie Startrakete, Missionsbetrieb, Entwicklung optischer Komponenten des Laser Ranging Interferometers, Beistellung von Laser Retro-Reflektoren für beide Satelliten und Aufbauund Betrieb des Science Data Systems
  • Entwicklung und Integration von Satelliten-Nutzlasten
  • Generierung und Validierung der Prozeduren zum Betrieb und Kommandierung der GRACE-FO Satelliten.
  • Operationelle Berechnung von monatlichen und wöchentlichen GRACE RL05 und (reprozessierten) RL06 Schwerefeldern
  • Entwicklung und Bereitstellung von täglichen Near-Realtime und regionalen Schwerefeldmodellen für das Horizon2020 Projekt EGSIEM (European Gravity Service for Improved Emergency Management)
  • Simulationsstudien für Schwerefeldmissionen der nächsten Generationen
  • Betrieb einer Satellitenempfangsstation in NyAlesund (Spitzbergen) zum Empfang von Daten verschiedener Erdbeobachtungssatelliten auf polaren und nahe-polaren Bahnen (primäre Empfangsstation für GRACE-FO)

Abgeschlossene Projekte:

  • Antarctic Ice Sheet Mass Balance from Satellite Geodesy and Modeling (ANTARCTIC-IMB)
  • Combined Ocean Tide Analysis by GRACE and Altimetry Data (COTAGA)
  • Surface mass redistribution from joint inversion of GPS site displacements, ocean bottom pressure models and GRACE global gravity models (JIGOG)
  • Geodesy and Time Reference in Space (GETRIS)

Literatur

Dobslaw, H., Bergmann-Wolf, I., Forootan, E., Dahle, C., Mayer-Gürr, T., Kusche, J., Flechtner, F. (2016): Modeling of present-day atmosphere and ocean non-tidal de-aliasing errors for future gravity mission simulations. - Journal of Geodesy, 90, 5, p. 423-436. doi.org/10.1007/s00190-015-0884-3

Flechtner, F., Neumayer, K.-H., Dahle, C., Dobslaw, H., Fagiolini, E., Raimondo, J.-C., Güntner, A. (2016): What Can be Expected from the GRACE-FO Laser Ranging Interferometer for Earth Science Applications? Surveys in Geophysics, 37, 2, p. 453-470, doi.org/10.1007/s10712-015-9338-y

Elsaka, B., Raimondo, J.-C., Brieden, P., Reubelt, T., Kusche, J., Flechtner, F., Iran Pour, S., Sneeuw, N., Müller, J. (2014): Comparing seven candidate mission configurations for temporal gravity field retrieval through full-scale numerical simulation. Journal of Geodesy, 88, p. 31-43, doi.org/10.1007/s00190-013-0665-9

Dahle, C., Flechtner, F., König, R., Michalak, G., Neumayer, K.-H., Gruber, C., König, D. (2014): GFZ RL05: An Improved Time-Series of Monthly GRACE Gravity Field Solutions. In: Flechtner, F., Sneeuw, N., Schuh, W.-D. (Eds.), Observation of the System Earth from Space - CHAMP, GRACE, GOCE and future missions, (GEOTECHNOLOGIEN Science Report; 20; Advanced Technologies in Earth Sciences), Berlin [u.a.] : Springer, p. 29-39, doi.org/10.1007/978-3-642-32135-1_4

Groh, A., Ewert, H., Rosenau, R., Fagiolini, E., Gruber, C., Floricioiu, D., Abdel Jaber, W., Linow, S., Flechtner, F., Eineder, M., Dierking, W. (2014): Mass, volume and velocity of the Antarctic Ice Sheet: present-day changes and error effects. Surveys in Geophysics, 35, 6, p. 1481-1505, doi.org/10.1007/s10712-014-9286-y

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Prof. Dr. Frank Flechtner
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