Die Masse macht's

Die Erde ist eine Kartoffel – wenn man sich ihr Schwerefeld anschaut. Einen solchen Blick ermöglichen die Satelliten GOCE und GRACE. Sie liefern ein recht seltsam anmutendes Bild des Globus, wenn man seine – gedachte – Oberfläche als Fläche gleicher Stärke der Gravitation definiert. Dieses „Geoid” sowie dessen feine Veränderungen im Lauf von Monaten, Jahren oder Jahrzehnten verraten den Forschern viel über das, was auf und unter den Kontinenten und Ozeanen vor sich geht. Zum Beispiel enthüllt die Schwerkraft, wie sich der Klimawandel auf die Weltmeere auswirkt. Und Wissenschaftler erkennen, wo eine zu extensive Landwirtschaft die Grundwasservorräte versiegen lässt. Den Geologen gibt die Anziehungskraft zudem ein Werkzeug an die Hand, um begehrte Rohstoffvorkommen aufzuspüren.

Die Satelliten der beiden Missionen ergänzen sich ideal: Während GOCE Schnappschüsse des statischen Schwerefelds der Erde liefert, ermittelt GRACE – ein Tandem aus zwei Zwillingssatelliten – in monatlichen Intervallen Daten, die zeigen, wie dieses Feld variiert. In diesen Schwankungen spiegeln sich sämtliche irdischen Phänomene wider, an denen Massen beteiligt sind: zum Beispiel Veränderungen von Meeresströmungen, von Wasserläufen auf Kontinenten oder Umwälzungen von heißem Gestein tief im Inneren des Globus.

künstlicher Meeresspiegel

In erster Linie aber ermöglicht das Geoid hochpräzise Höhenmessungen. Wer nur grob wissen will, auf welcher Höhe er sich befindet, kann sich mit den Ortsbestimmungen begnügen, die fast jedes Smartphone per GPS ausführen kann. Diese Messungen beziehen sich auf ein Rotationsellipsoid, das als geometrische Bezugsfläche im Koordinatensystem der Erde eine Art künstlichen globalen Meeresspiegel darstellt. Er setzt sich als virtuelle Fläche unter den Kontinenten fort. Allerdings weicht das Konstrukt bis zu 100 Meter von den tatsächlichen Verhältnissen ab und ist deshalb für exakte wissenschaftliche Untersuchungen nicht genau genug. Wesentlich besser geeignet als das rein geometrische Ellipsoid ist das physikalisch bestimmte Geoid, das sich aus den Umlaufbahnen und Messungen von GOCE oder GRACE errechnen lässt. „ Denn es stimmt mit der mittleren Oberfläche der Weltmeere bis auf etwa zwei Meter genau überein”, sagt Thomas Gruber, akademischer Direktor am Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie der Technischen Universität München und Leiter des GOCE-Projektbüros.

Da die Erde in Richtung Pole abgeplattet ist, haben auch die Umlaufbahnen der Satelliten grob die Form von Ellipsen. Die ungleiche Massenverteilung auf und in der Erde bewirkt jedoch, dass die reale Umlaufbahn etwas davon abweicht. Je nachdem, ob die künstlichen Erdtrabanten Regionen mit mehr oder weniger Masse überfliegen, ändert sich ihr Abstand zur Erde. Hochempfindliche Instrumente an Bord der Satelliten registrieren das. Mithilfe mathematischer Formeln lässt sich aus der genauen Form der Umlaufbahn das Geoid berechnen, als eine Fläche auf Meeresniveau.

Allerdings: Die Auflösung des Geoids ist trotz der sensiblen Satellitenmessungen bisher auf eine quadratische Fläche mit 100 Kilometer Kantenlänge begrenzt. Ein kleines Gebirge wie der Harz oder der Kaiserstuhl im Oberrheingraben lässt sich dadurch nur gemittelt mit seiner Umgebung darstellen. Die Berge werden quasi „ herausgebügelt”. Für Abhilfe sollen daher ergänzende Schweremessungen sorgen, die von der Erde oder von Flugzeugen aus erfolgen. „Zur genaueren Lagebestimmung eines Ortes wird von der per GPS ermittelten Höhe über dem Rotationsellipsoid dessen Abstand zum Geoid abgezogen”, erklärt Gruber. In Deutschland beträgt der Abstand zwischen 36 und 54 Meter.

jedes Land hat andere Höhen

Da die Länder der Erde ihre Höhensysteme auf unterschiedliche Meeresspiegelniveaus beziehen, gibt es verschiedene nationale Geoide – allein in Europa fast zwei Dutzend. „Momentan laufen auf wissenschaftlicher Ebene Beratungen über ein global einheitliches Höhenmess-System”, berichtet Gruber. „Das würde die Erforschung von Änderungen des Meeresspiegels und Ozeanströmungen erheblich erleichtern.”

Das Geoid ist eine Fläche, auf der ein bestimmter Körper per Definition überall die gleiche Schwerkraft erfährt. Wegen der unregelmäßigen Verteilung von Massen auf und in der Erde weist sie Ausbuchtungen und Dellen auf. Wären die Ozeane ausschließlich der Schwerkraft überlassen, würde sich ihre Oberfläche überall senkrecht dazu ausrichten – und die Meeresoberfläche bliebe immer gleich. Doch tatsächlich sind rund um den Globus ständig gigantische Wassermassen in Bewegung: Sie fließen auf gewundenen Bahnen und in mächtigen Strömungswirbeln. Weil diese Strömungen Wärme transportieren, beeinflussen sie das Klima. Beim Golfstrom im Nordatlantik zum Beispiel treibt an der Oberfläche der Wind warmes Wasser, das aus den Tropen stammt, vor sich her, hin zu kälteren nördlichen Regionen. Dort kühlt sich das Wasser ab, wird dichter, sinkt in die Tiefe und strömt zurück nach Süden in Richtung Äquator.

Komplexer Motor im Meer

Besonders stark kühlt sich Meerwasser ab, das auf der Südhalbkugel in die Antarktis und den subpolaren Südatlantik gelangt. Außerdem erhöht sich seine Salzkonzentration, wenn Wassermoleküle zu Meereis gefrieren. Das Wasser sinkt daher schneller ab, der Wärmetransport erfolgt rascher. Um beurteilen zu können, ob Klimaänderungen diese Antriebsmechanismen der Meeresströmungen beeinflussen, müssen die Wissenschaftler die komplexen Vorgänge genau kennenlernen.

Dazu wurden in den letzten Jahren Tausende von Driftbojen auf den Ozeanen ausgesetzt, die Fließgeschwindigkeit und Strömungsrichtung des Meerwassers ermitteln. Genauer geht das allerdings mit dem Geoid. „Damit lässt sich erstmals ein räumlich detailliertes Bild gewinnen, das zeigt, wie sich das Wasser bewegt”, sagt Detlef Stammer vom Institut für Ozeanographie der Universität Hamburg. Denn aus der Neigung der Meeresoberfläche relativ zur Fäche des Geoids ergeben sich Richtung und Geschwindigkeit der Strömung. Auch von GRACE ermittelte zeitliche Änderungen im Schwerefeld tragen zu einem besseren Verständnis der Meeresströmungen bei. „Die Satellitenmessungen zeigen, wie variabel die Zirkulation in den Ozeanen ist. Die physikalischen Strömungsmodelle lassen sich dadurch wesentlich verbessern”, sagt Stammer.

Diese Modelle sind mit anderen gekoppelt, die den kontinentalen Wasserkreislauf erfassen. Sie beschreiben auch Änderungen im Zufluss von Süßwasser durch Flüsse in die Meere, die die Salzkonzentration und damit auch die Strömungsverhältnisse beeinflussen. Das Wissen der Geoforscher darüber ist bislang recht begrenzt. „Die große Dynamik, mit der zum Beispiel die Eiskappen in den Polarregionen wegen der Klimaerwärmung schmelzen, ist noch nicht verstanden”, sagt Meeresforscher Stammer. „Und es ist noch unklar, wie viel Eis von den polaren Eisschilden in die Ozeane gelangt und auf welche Weise das geschieht.”

Wo Regnet es mehr – wo weniger?

Auch der Wasserkreislauf auf dem Festland steht im Fokus wissenschaftlicher Forschung. Sein Prinzip ist klar: Regen oder Schnee fallen auf die Erde, das Wasser sammelt sich in Bächen und Seen oder versickert im Boden und gelangt als Grundwasser oder über die Flüsse in die Ozeane. Die Transpiration der Pflanzen sowie die Verdunstung über Land und Meer schließen den Kreislauf. Doch der Klimawandel wirft brisante Fragen auf: Wo wird es künftig mehr regnen, und wo werden Niederschläge rar oder sogar ganz ausbleiben? Landwirtschaft, Industrie und private Haushalte müssen ausreichend mit Wasser versorgt werden – daher behalten Forscher die Reserven genau im Auge.

„Mit den Satelliten von GRACE können wir weltweit beobachten, wie die Füllstände kontinentaler Wasserspeicher variieren”, sagt Henryk Dobslaw. „Denn der Kreislauf des Wassers geht mit einer Verlagerung von Massen einher.” Dobslaw arbeitet als Geodät am Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam. Ohne die Beobachtung aus dem All wäre ein dichtes Netz unzähliger Stationen für Pegelmessungen nötig, um alle Flüsse und Seen der Welt zu erfassen. Noch aufwendiger wäre es, die im Erdreich verborgenen Wassermengen auszuloten. Denn dafür genügt es nicht, Grundwasserstände zu messen, sondern es bedarf auch mathematischer Modelle, um die Porosität der Böden zu beschreiben. Die Satelliten dagegen liefern mit schnellem Blick aus dem All eine gute Speicherbilanz der irdischen Wasservorräte.

Mehr Wasser Für den Amazonas

GRACE-Daten aus den letzten sieben Jahren belegen zum Beispiel, dass die im Einzugsgebiet des Amazonas sowie in den Regionen großer Flüsse in Afrika und China gespeicherte Wassermenge zugenommen hat – weil es dort häufiger und mehr geregnet hat. Ein negativer Trend zeigt sich dagegen in Australien, durch die langanhaltende Dürre, sowie in Grönland, Alaska und Patagonien. Dort schmelzen Gletscher und Eisschilde ab. Doch Dobslaw warnt davor, solche Befunde überzubewerten: „Um eine natürliche Variabilität des Klimas eindeutig von menschengemachten Veränderungen unterscheiden zu können, sind Beobachtungszeiträume von mindestens 30 Jahren erforderlich.”

Im Nordwesten von Indien, an Euphrat und Tigris im Mittleren Osten sowie im westlichen Iran haben die Wasservorräte ebenfalls deutlich abgenommen. Dort liegt die Ursache vermutlich in einer nicht nachhaltigen landwirtschaftlichen Nutzung der Böden, die viel Wasser verschlingt. Auch in den USA wurde in den letzten Jahren aus einigen Grundwasserleitern mehr entnommen, als nachströmen konnte. Das hat in manchen Gegenden bereits zu Wasserknappheit geführt. Damit Wirtschaft und Behörden rechtzeitig auf einen drohenden Wassermangel reagieren können, erstellen NASA-Wissenschaftler nun für alle US-Bundesstaaten einen wöchentlichen Index für Grundwasser und Bodenfeuchte. Er beruht auf den Messungen der beiden Satelliten von GRACE.

Aus den zeitlichen Variationen des Schwerefeldes lassen sich nicht nur Veränderungen im Wasserhaushalt auf den Kontinenten herauslesen – man kann auch die Gezeiten verfolgen, die es nicht nur in den Ozeanen, sondern auch im „weichen” Erdinneren gibt. Außerdem lassen sich Vorgänge in der Tiefe des Globus beobachten. Um solche Abläufe aus den rohen Messdaten herauszudestillieren, ist eine aufwendige Aufbereitung erforderlich. „In den gemessenen Schweredaten überlagern sich die Signale verschiedenster geophysikalischer Prozesse”, sagt Dobslaw. „Wir zerlegen sie in Einzelteile und ordnen sie Orten, Jahreszeiten und bestimmten Phänomenen zu. Dabei lässt sich der Einfluss der Wasserspeicherung besonders leicht herauslesen, denn nur diese zeigt einen deutlichen jahreszeitlichen Rhythmus.”

Unter der Erdoberfläche liegen allerdings auch „Schätze” verborgen, deren Schweresignale nicht durch zeitliche Varianz auffallen. Wissenschaftler wollen sie ebenfalls mithilfe von Satellitendaten finden. So hat Johannes Bouman, Wissenschaftler am Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut in München, Öl- und Gasvorkommen im Visier, die er in der Rub-al-Khali-Wüste in Saudi-Arabien, der größten Sandwüste der Erde, vermutet. Zusammen mit Geophysikern vom Norwegischen Geologischen Dienst und der Niederländischen Organisation für angewandte Naturwissenschaften will er sie per Schweremessung aus dem All aufspüren. Wenn dem Forscherteam das gelingt, ließe sich künftig viel Geld für die teure Exploration von Bodenschätzen sparen. Denn dazu braucht es bislang Messungen am Boden, die oft unter klimatisch extremen Bedingungen erfolgen müssen und mit einem enormen logistischen Aufwand verbunden sind.

„Für viele Lagerstätten ist es typisch, dass die Erdkruste dort eine bestimmte Struktur besitzt”, sagt Bouman. Sie sorgt für einen optimalen Wärmefluss aus dem Erdinneren in ehemalige Sedimentbecken hinein. Dort entstehen dadurch aus Pflanzenresten, die vor Jahrmillionen abgelagert wurden, allmählich die begehrten fossilen Rohstoffe. Um zu erkunden, wo sich Erdöl- und Erdgaslagerstätten befinden, fertigen die Forscher bisher zunächst ein Modell der Erdkruste in der gesamten verdächtigen Region an. Dabei stützen sie sich vor allem auf die Analyse der Laufzeit seismischer Wellen, die von der Dichteverteilung im Untergrund abhängt.

Von der Nordsee in die Wüste

Künftig soll das irdische Gravitationsfeld den Weg zu den Rohstoffen weisen. „Wie wir die Dicke der Erdkruste aus GOCE-Daten bestimmen können, haben wir anhand von Schweremessungen für den Nordwesten Europas und eines Modells dieser Region gelernt”, sagt Bouman. Das Modell ist sehr genau, denn wegen der vielen Rohstoffe, die dort lagern, ist die Gegend geophysikalisch gründlich untersucht. Mit diesem Wissen verfeinerten die Forscher ihr Modell für ihre eigentliche Zielregion: die Wüste von Saudi-Arabien. Sie erstellten Karten, die Hinweise auf Lagerstätten geben könnten, deren Ausbeutung sich lohnt.

Keinen wirtschaftlichen Profit, dafür aber spannende Erkenntnisse über die Entwicklungsgeschichte der Erde verspricht ein Blick in die Tiefe. Die Lithosphäre – die Haut der Erde, mit der Erdkruste als oberster Schicht – ist keine einheitliche Schale, sondern weist Brüche auf. Dadurch sind im Lauf der Zeit einzelne Platten entstanden, die ständig in Bewegung sind, sich dabei verhaken, übereinander schieben oder stauchen. Wenn sich die Spannungen ruckartig lösen, bebt die Erde. Motor für die Plattendrift ist Wärme, die aus dem Erdkern strömt und die Materie im Erdmantel darüber umwälzt.

Harro Schmeling, Geophysiker an der Universität Frankfurt am Main, erforscht solche Prozesse durch Analysen des Geoids. Er hat Zonen aufgespürt, in denen sich weniger dichtes und damit fließfähigeres Material befindet. Um Details über das Fließverhalten des Gesteinsmaterials herauszufinden, modellierten er und sein Team den Erdmantel im Computer. Dabei variierten die Forscher die Viskosität im auf- und abströmenden Material und errechneten daraus virtuelle Geoide, die sie mit dem realen Geoid für Erdmantel und -kern verglichen. So generierten sie ein großräumiges Modell des Erdinneren, das den realen Verhältnissen sehr nahe kommt.

Aufschlussreich wäre es auch, zwei Geoide zu vergleichen, die im Abstand von zehn Jahren aufgenommen wurden. „So könnten wir etwa die Überlagerung zweier Platten beobachten, die von tektonischen Kräften gegeneinander gedrückt werden”, sagt Schmeling. „Oder wir könnten das Abtauchen einer Platte verfolgen. Sogar ein Plume, ein tief reichender Aufwärtsstrom von heißem Material, wäre erkennbar.” ■

KLAUS WAGNER hat sich während der Recherche zu diesem Bericht von der Gravitation gewaltig angezogen gefühlt.

von Klaus Wagner