Bridging the Gap

Projekt: Bridging the gap between GRACE and GRACE-Follow On

Forschende: Matthias Weigelt (DLR/LUH)

Projektidee: Untersuchung alternativer Möglichkeiten, um auch ohne die Satellitenmissionen GRACE und GRACE-Follow On globale Veränderungen im Wasserhaushalt beobachten zu können.

Die Satellitenmissionen GRACE und GRACE-Follow On sind die wichtigsten Werkzeuge um globale Veränderungen im Wasserhaushalt zu beobachten. Sie sind auch die einzige Möglichkeit, um global Schwankungen im Grundwasser zu messen. Was aber, wenn solche Messungen nicht zur Verfügung stehen, z.B. weil die Satelliten vorzeitig versagen? Gibt es alternative Möglichkeiten, um den Wasserhaushalt weiterhin beobachten zu können?

Diese Situation ist tatsächlich schon eingetreten. Die GRACE-Mission war ursprünglich nur für 5 Jahre geplant, konnte aber tatsächlich 15 Jahre lang Daten sammeln. Trotzdem entstand zwischen dieser und ihrer Nachfolgemissionen GRACE-Follow On eine Datenlücke von ca. einem Jahr.

Die Lösung: Mit Hilfe von High-Low-Satellite-to-Satellite-Tracking (HL-SST) und Satellite Laser Ranging (SLR) können alternative Beobachtungen zur Bestimmung des Schwerefeldes herangezogen werden. Für HL-SST benötigt man Satelliten, die zumindest mit einem GNSS-Receiver ausgestattet sind. Ideal wäre zusätzlich ein Akzelerometer zu Bestimmung der nicht-gravitativen Kräfte. SLR-Satelliten sind in der Regel passive, meist kugelförmige Satelliten, wie zum Beispiel Lageos, die mit Retroreflektoren bestückt sind. Ihre Bewegung wird mit Hilfe von lasergestützten Bodenstationen beobachtet.

Der Prozess zur Berechnung des Schwerefeldes umfasst die Erstellung von Normalgleichungen für HL-SST und SLR, die Bestimmung der relativen Gewichte, die Lösung der kombinierten Gleichungen und die Anwendung zeitlicher Filterung. Für die Bestimmung des HL-SST-Anteils ist es unabdingbar, kinematische Positionen zu verwenden, welche von der Technischen Universität Graz, dem Astronomischen Institut der Universität Bern, der Technischen Universität Delft sowie dem Institut für Erdmessung zur Verfügung gestellt werden. Die Verarbeitung der SLR-Daten basiert auf einem dynamischen Ansatz und nutzt Beobachtungen zu mehreren Satelliten. Insgesamt sind ca. 2 Milliarden Messungen von 2003 bis 2022 ausgewertet worden.

Die Kombination von HL-SST und SLR zeigt dabei eine bessere Leistung als die jeweiligen Einzellösungen, insbesondere bei der Auflösung von Massenänderungen in Regionen wie Grönland und dem Amazonasbecken. Besonders die Entwicklung einer zeitlichen Filterung im Rahmen des Projekts erlaubte eine bessere Bestimmung der zeitvariablen Signale. Die Lösungen bieten ebenso wertvolle Einblicke in die Signale der glazialen isostatischen Anpassung (GIA) in Nordamerika und Fennoskandien, wenn auch mit einigen Einschränkungen bei der räumlichen Auflösung.

Trotz der erzielten Ergebnisse, bleibt noch viel zu tun. Die räumliche Auflösung ist aufgrund der eingesetzten Messmethodik von ca. 300km auf ca. 700km reduziert. Die Ursache dafür ist, dass bei GRACE-artigen Missionen die Relativbewegung der Satelliten mit Micro- bis Nanometer-Genauigkeit vermessen werden kann, während für HL-SST und SLR „nur“ Absolutpositionen im Millimeter-Bereich erreicht werden können. Eine stetige Verbesserung der GNSS-Prozessierung wäre hier wünschenswert. Weiter ist die stochastische Modellierung für SLR-Lösungen durch die geringe Anzahl der Beobachtungen begrenzt, was häufig zu einer überoptimistischen Fehlerschätzung führt. Hier helfen nur mehr Bodenstationen – die aber leider sehr kostspielig sind. Nichtsdestotrotz überbrückt die Kombination von HL-SST- und SLR-Daten effektiv die Datenlücke zwischen GRACE und GRACE Follow-On und stellt somit eine wichtige Alternative dar. Sie stärkt somit die Redundanz der Erdbeobachtungssatelliten und sichert die Verfügbarkeit der Beobachtung globaler Veränderungen im Wasserhaushalt und damit im Klimasystem der Erde.