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Physikalische Geodäsie

Das Fachgebiet Physikalische Geodäsie wird seit März 2013 von Prof. Dr. Frank Flechtner im Rahmen einer gemeinsamen Professur der TU Berlin und des Helmholtz-Zentrums Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum geleitet. Am GFZ leitet er die Sektion 1.2 "Globales Geomonitoring und Schwerefeld" [1].

Übersicht

Eine der wohl wichtigsten physikalischen Größen, die aus dem Physikunterricht bekannte Schwerebeschleunigung auf der Erdoberfläche (g ≈ 9.81m/s²) ist keineswegs konstant. Für diesen Fall müsste unser Heimatplanet eine Kugel und die Massen im Erdinneren müssten gleichmäßig, d. h. kugelsymmetrisch, verteilt sein. Dies ist definitiv nicht der Fall und macht sie daher zu einer der wichtigsten Messgrößen in der Physik und der Geodäsie. Zudem sind die meisten geodätischen Messungen von der Schwerkraft abhängig, weil alle Instrumente, die horizontiert werden müssen, nur an der Richtung der Schwerkraft ausgerichtet werden können.

Die wesentliche Aufgabe der Physikalischen Geodäsie besteht nun darin, mit Hilfe von Beobachtungen auf der Erdoberfläche und aus dem Weltall das Schwerefeld der Erde zu erfassen, zu beschreiben und zu modellieren. Erst mit einem genauen Schwerefeldmodell können viele Prozesse im Erdinneren und auf der Erdoberfläche besser verstanden werden.

Die Darstellung des globalen Schwerefeldes kann als Referenz sowohl für physikalische, als aus auch für geometrische Fragestellungen der Geodäsie genutzt werden.

Hierzu gehört unter anderen die zeitliche Variation des Schwerefeldes, die immer Ausdruck von Massenumverlagerungen im System Erde ist. Als Ursache hierfür können zum Beispiel in Frage kommen:

  • Änderungen des Meeresspiegels oder der Meeresströmungen,
  • Variationen im kontinentalen Wasserhaushalt,
  • Abschmelzen von Eismassen in den großen Gletschersystemen, oder
  • Massenverlagerungen in tektonisch aktiven Gebieten

Zudem ermöglicht die Physikalische Geodäsie die Definition globaler Höhensysteme zur präzisen Darstellung von Topographie, Meeresoberfläche und Bathymetrie.

Die Methoden der Physikalischen Geodäsie können auch auf die Beschreibung von Schwerefeldern anderer stellarer Objekte übertragen werden. So lassen sich z.B. aus dem Bewegungsverhalten künstlicher Satelliten von Planeten und Monden Aussagen über das ihnen eigene Schwerefeld ableiten und daraus Aussagen zu deren inneren Strukturen oder deren Entstehung ableiten.

Zur Bestimmung des globalen Erdschwerefeldes und insbesondere seiner großräumigen, zeitlichen Variationen befand sich zwischen März 2002 und Juni 2017 die deutsch-amerikanische GRACE [2] (Gravity Recovery and Climate Experiment) Satellitenmission im Weltraum. Sie bestand aus zwei baugleichen Satelliten, die in einer polaren Umlaufbahn von anfangs 500 km (am Ende der Mission ca. 320 km) und einem Abstand von ca. 220 km hintereinander fliegen. Jede Massenvariation bzw. Schwerefeldänderung verursacht Entfernungsänderungen zwischen den beiden Satelliten. Diese Änderungen wurden mit Hilfe eines Mikrowellenmesssystems mit einer Genauigkeit von besser als einem Zehntel eines menschlichen Haares kontinuierlich gemessen. Aus diesen Beobachtungen wurde auf monatlicher Basis von den wissenschaftlichen Prozessierungszentren bei JPL (Pasadena, Kalifornien), UTCSR (Austin, Texas) und am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam das globale Schwerefeld abgeleitet. Die aktuelle sechste Reprozessierung (RL06) der GRACE-Messdaten zeigt dabei für die Schwerefeldkarten ein nochmals gegenüber vorhergehenden Modellen verkleinertes Rauschen und eine erhöhte räumliche Auflösung.

Zwischen März 2009 und November 2013 befand sich die ESA-Mission GOCE [3] (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) auf einer niedrigen Umlaufbahn von nur ca. 250 km (am Ende lediglich 235 km) im Orbit. Ziel der Mission war es, ein räumlich hochauflösendes "statisches" bzw. "mittleres" Schwerefeld der Erde mit nie dagewesener Genauigkeit zu bestimmen. Ausgestattet war der Satellit dazu mit sechs Beschleunigungsmessern, die in allen drei räumlichen Richtungen auf das Schwerefeld reagieren.

Dazu kommt nun die Nachfolgemission GRACE-FO [4] (GRACE Follow-on), die seit Mai 2018 die GRACE-Zeitreihen fortsetzt. GRACE-FO wurde gemeinsam zwischen NASA und GFZ entwickelt und wird nun gemeinsam auch betrieben. Um die Messgenauigkeit der Intersatellitenmessung und damit der Schwerefeldbestimmung zu erhöhen, wird neben dem bisherigen Mikrowellenabstandsmessgerät auch ein Laser Ranging Interferometer (LRI) erprobt. Dieses LRI wird dann die Basis für Next Generation Gravity Missions (NGGM) sein, die dann auf dieser Lasertechnologie bauen und (wahrscheinlich) aus mehreren Pärchen auf unterschiedlichen und tieferen Bahnen bestehen werden.

Bei den terrestrischen Methoden werden am GFZ auch Fluggravimetriedaten des deutschen HALO-Flugzeugs (High Altitude and LOng Range Research Aircraft) beobachtet und ausgewertet. Gemeinsam mit Supraleit- und Absolutgravimeter- sowie Altimeterbeobachtungen verschiedener Satellitenmissionen werden diese terrestrischen Daten zu hochauflösenden Schwerefeldmodellen (Auflösung kleiner 10 km) mit den Beobachtungen der genannten Satellitenmissionen kombiniert.

Die Themen und Methoden der Physikalischen Geodäsie werden im Rahmen des Masterstudiums “M.Sc. Geodesy and Geoinformation Science” in dem Modul “SGN Physical Geodesy” vermittelt. Die hier adressierten Themengebiete sind

  • Grundlagen und Grundbegriffe der Erdmessung
  • Grundlagen der Potentialtheorie, -der Kugelfunktionen und der geodätischen Randwertaufgaben
  • Das Schwerefeld der Erde: Normalpotential und –schwere, lineares Modell der physikalischen Geodäsie, Geoidbestimmung
  • Schweremessungen (absolute, relative, auf bewegten Plattformen, kontinuierliche) und Schwerereduktionen
  • Physikalisch und geometrisch definierte Höhensysteme
  • Space (Raum-) Methoden und neue Satellitenmissionen

Zum einführenden Selbstudium sei hier auf die folgende Literatur verwiesen.

  • Hofmann-Wellenhof, B. und Moritz, H. (2006): Physical Geodesy, second, corrected edition. Springer Wien New York
  • Heiskanen, H., Moritz, H. (1985): Physical Geodesy, Nachdruck TU Graz
  • Torge, W. (2003):Geodäsie, Walter de Gruyter Verlag, Berlin New York
  • Torge, W. (1989):Gravimetrie, Walter de Gruyter Verlag, Berlin New York

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