Was die Schwerkraft der Erde über den Klimawandel verrät

Am 17. März 2002 startete das deutsch-US-amerikanische Satellitenduo GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), um das globale Erdschwerefeld so präzise zu kartieren wie nie zuvor. Die Mission dauerte schließlich gut 15 Jahre – und damit mehr als dreimal so lang wie erwartet. Als die beiden Satelliten Ende 2017 beziehungsweise Anfang 2018 in der Erdatmosphäre verglühten, hatten sie das Gravitationsfeld der Erde und dessen Veränderungen mit der Zeit in mehr als 160 Monaten aufgezeichnet.

Diese sogenannte zeitaufgelöste Satellitengravimetrie ermöglicht es unter anderem, den irdischen Wasserkreislauf, die Massenbilanz von Eisschilden und Gletschern oder die Veränderung des Meeresspiegels zu überwachen und so die Mechanismen des globalen Klimasystems besser zu verstehen, wichtige Trends genauer zu bewerten und mögliche Folgen vorherzusagen.

Eine Übersichtsarbeit im Fachjournal Nature Climate Change, an der Frank Flechtner, Christoph Reigber, Christoph Dahle und Henryk Dobslaw vom Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ und Ingo Sasgen vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) beteiligt waren, stellt nun Highlights im Bereich Klimaforschung vor, die auf GRACE-Beobachtungen beruhen.

Eisschilde und Gletscher

GRACE erzeugte die erste direkte Messung des Eismassenverlustes von Eisschilden und Gletschern überhaupt. Zuvor war es lediglich möglich gewesen, die Massen und ihre Veränderungen über indirekte Methoden abzuschätzen. Bereits innerhalb der ersten zwei Jahre der Mission gelang es, klare Signale des Eismassenverlustes in Grönland und der Antarktis zu beobachten. Aus den Messdaten ließ sich ableiten, dass 60 Prozent des Massenverlusts in Grönland auf ein stärkeres Schmelzen aufgrund höherer Temperaturen zurückgehen, während 40 Prozent sich auf Bewegungen des Eises zurückführen lassen. Nach den GRACE-Daten hat zwischen April 2002 und Juni 2017 Grönland jährlich etwa 260 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr verloren, die Antarktis rund 140 Milliarden Tonnen. Neben langjährigen Trends liefern die Schwerefeld-Daten auch Belege für die direkten Auswirkungen globaler Klimaphänomene wie „El Niño auf Eisschilde und Gletscher weltweit.

Irdische Wasserspeicherung

Zu den wirkungsmächtigsten Beiträgen der GRACE-Mission gehört die Enthüllung der sich verändernden Süßwasserlandschaft der Erde. Diese Veränderungen haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Sicherheit der Wasser- und Nahrungsmittelversorgung und somit auch die der Menschen. Globale Abschätzungen der von GRACE offengelegten Trends deuten auf eine zunehmende Wasserspeicherung in hohen und niederen Breitengraden hin, während die Speicherung in mittleren Breiten abnimmt. Obwohl die Aufzeichnungen von GRACE nur relativ kurz zurückreichen, war diese Beobachtung weitreichender Veränderungen im globalen Wasserkreislauf eine wichtige frühzeitige Bestätigung der von den Klimamodellen für das 21. Jahrhundert vorhergesagten Veränderungen.

Die GRACE-Daten helfen auch dabei, die Höhe des Meeresspiegels genauer analysieren und beurteilen zu können, denn die Speicherung von Süßwasser an Land ist über verschiedene Mechanismen mit der Höhe des Meeresspiegels verbunden. Analysen der GRACE-Daten haben die ersten Abschätzungen von Veränderungen der Grundwasserniveaus aus dem Weltraum ermöglicht. Sie bestätigen eine übermäßige Grundwasserentnahme aus einzelnen Grundwasserleitern auf der ganzen Erde. Die Daten zur irdischen Wasserspeicherung haben außerdem zur Überprüfung und Verbesserung verschiedener Klimamodelle beigetragen.

Veränderung des Meeresspiegels und Ozeandynamik

Innerhalb dieses Jahrhunderts könnte sich der Anstieg des Meeresspiegels auf 10 Millimeter pro Jahr beschleunigen – ein in den vergangenen 5000 Jahre nie erreichter Wert und eine tiefgreifende und direkte Folge eines sich erwärmenden Klimas. Zwar gibt es seit Anfang der 1990er Jahre hochpräzise Meeresspiegelmessungen, aber diese zeigen nur die absolute Höhenänderung der Meeresoberfläche. In den 25 Jahren zwischen 1993 und 2017 stieg der Meeresspiegel demnach jährlich um durchschnittlich 3,1 Millimeter. Um herauszufinden, wie sich die wärmebedingte Ausdehnung des Wassers, schmelzendes Eis und der Zufluss von Land jeweils auf den Meeresspiegel auswirken, muss man aber die Massenverteilung des Wassers untersuchen. Mithilfe von GRACE ließ sich feststellen, dass von dem durchschnittlichen jährlichen Meeresspiegelanstieg um 3,8 Millimeter zwischen 2005 und 2017 2,5 Millimeter auf den Zufluss von Wasser oder anderer Masse zurückgehen und 1,1 Millimeter auf die Wärmeausdehnung des Wassers. Diese Zusammensetzung zu entschlüsseln ist für Prognosen der Meeresspiegelhöhe wichtig. GRACE-Daten liefern eine obere Schranke für die Veränderung der Ozeanmasse und somit indirekt auch eine für die Energiebilanz der Erde, die ein grundlegendes globales Maß des Klimawandels darstellt. So konnte mithilfe von GRACE gezeigt werden, dass der Großteil der durch den Temperaturanstieg freiwerdenden Wärme in den oberen 2000 Metern der Meere, die die wichtigste Energiesenke des Klimawandels sind, verbleibt. GRACE trägt außerdem dazu bei, die Dynamik und den Einfluss von Meeresströmungen besser zu verstehen und entsprechende Modelle zu verfeinern, insbesondere für den arktischen Ozean.

Wissenstransfer für Klimadienste

Die Schwerefelddaten der GRACE-Satelliten tragen dazu bei, den United States Drought Monitor zur Prognose von Trocken- und Dürreperioden in den USA zu verbessern. Dieser hilft Behörden, auf Dürren rechtzeitig und richtig zu reagieren. Die Europäische Union hat mit EGSIEM (European Gravity Service for Improved Emergency Management) ein System gefördert, mit dem regionale Hochwasserrisiken möglichst frühzeitig erkannt werden sollen. Zwischen April und Juni 2017 fanden Testläufe mit historischen Hochwasser-Daten statt, die zeigen, dass die durch GRACE ermittelten Feuchtigkeitswerte für die feste Erdoberfläche die Vorhersagen verbessern können, beispielsweise für den Mississippi oder die Donau. Aktuelle Daten zeigen außerdem, dass sich mit GRACE-Daten das Risiko für saisonale Waldbrände genauer ableiten lässt.

Das GFZ betrieb die GRACE-Mission zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und auf US-amerikanischer Seite mit dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Raumfahrtbehörde NASA. Im Mai 2018 startete die Nachfolgemission GRACE Follow-on (GRACE-FO). Erste monatliche Schwerefeldkarten sollen Ende Juli dieses Jahres den internationalen Nutzern zur Verfügung stehen. Unerwartete Schwierigkeiten sorgten für eine Verzögerung des Messbeginns. „Ursache war der Ausfall einer Steuerungseinheit, erklärt Frank Flechtner vom GFZ. „Das machte es notwendig, auf die für solche Szenarien eingebaute Ersatzeinheit zu wechseln. Nun aber ist mit GRACE-FO eine mehr als zwei Jahrzehnte lange Aufzeichnung der Massenveränderungen im System Erde in Reichweite.

Hintergrund: Das Gewicht des Wassers

Je größer die Masse eines Objektes ist, desto größer ist auch dessen gravitative Anziehungskraft. So üben die Alpen beispielsweise eine höhere Anziehungskraft aus als die norddeutsche Tiefebene. Wenn Satelliten die Erde umkreisen und dabei über eine massereiche Region fliegen, dann beschleunigen sie minimal, wenn sie darauf zufliegen und verlangsamen sich beim Wegfliegen.

Ein winziger Anteil der Gravitation, die von der Erde ausgeht, beruht auf dem Wasser auf oder nahe der Oberfläche in Ozeanen, Flüssen, Seen, Gletschern und im Untergrund. Dieses Wasser reagiert auf Jahreszeiten, Stürme, Dürren oder andere Wettereffekte. GRACE nutzte die Massenverlagerung des Wassers, indem es deren Effekt auf das Satelliten-Duo aufzeichnete, das mit 220 Kilometer Abstand hintereinander unseren Planeten umkreiste. Mittels Mikrowellen konnte deren Abstand gemessen werden. Dieser veränderte sich auf Grund der Massenverlagerung auf der Erde im Lauf der Zeit. Aus den Daten errechneten die Forscherinnen und Forscher dann monatliche Karten der regionalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der ursächlichen Veränderungen der Massen an der Oberfläche.