Das allgegenwärtige Schwerefeld

Die "Potsdamer" Kartoffel

Gravitation ist eine fundamentale Kraft der Natur, sie beeinflusst viele dynamische Prozesse im Erdinneren ebenso wie auf und über der Erdoberfläche. Bislang war die Verwendung von Schwerefeldinformationen in den Geowissenschaften aufgrund der Datenqualität nur eingeschränkt möglich. Mit den beiden Schwerefeldmissionen CHAMP und GRACE gelang ein Qualitätssprung hinsichtlich der Genauigkeit, Auflösung und globalen Überdeckung. Der Durchbruch wird von der kommenden GOCE-Mission erwartet, die die bisherige Kenntnis des irdischen Schwerefeldes noch einmal um den Faktor 100 verbessern soll.

Die Erde ähnelt einer Kartoffel

Selbst bei Windstille wäre der Meeresspiegel nicht eben. An einigen Stellen ist er bis zu 85 Meter höher als die Norm „Normal Null“ angibt, an anderen Stellen dagegen 110 Meter tiefer. Ursache der „Beulen“ und „Dellen“ ist die ungleichmäßige Verteilung dichter Gesteine im Erdinneren und die dadurch bewirkte unterschiedliche Anziehung des Wassers. Derartige Schwerkraftanomalien im Erdinneren, die optisch kaum wahrgenommen werden können, wurden durch Schwerefeldmessungen der GOCE-Vorgängermissionen CHAMP und GRACE entdeckt.

Das heute bekannte Gravitationsmodell der Erde deckt sich größtenteils mit bekannten geologischen Strukturen. So ist es beispielsweise wenig verwunderlich, dass in der Himalaya-Region erhöhte Gravitationswerte gemessen worden sind. Diese gigantische Gebirgsformation stellt natürlich auch eine enorme Masseansammlung dar. Doch nicht alle Schwerkraftanomalien, d.h. erhöhte oder reduzierte Schwerkraftwerte, konnten von den Wissenschaftlern eindeutig geologischen Strukturen zugeordnet werden. Teilweise scheinen unterhalb der Erdkruste befindliche Ansammlungen dichteren oder leichteren Materials für die gemessenen Werte verantwortlich zu sein. Häufig finden sich Anomalien in Bereichen, wo Kontinentalplatten aufeinander stoßen oder voneinander wegdriften.
Diese Unregelmäßigkeiten des Erdkörpers spiegeln sich unmittelbar in der Struktur des Schwerefeldes wider. Stellt man das Feld in einer räumlichen Karte dar, sieht die Erde wie eine Kartoffel aus. Berühmt geworden ist die „Potsdamer Kartoffel“ des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ). Sie zeigt eindrucksvoll die Abweichungen des blauen Planeten von der idealen Kugelform, hervorgerufen durch die Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld der Erde.

Blick in das Erdinnere

GOCE wird neue Erkenntnisse über Prozesse im Erdinnern bringen

Aus der Kenntnis des Erdschwerefeldes allein lässt sich der Aufbau des Erdinnern nicht ermitteln, weil man zunächst einmal nicht erkennen kann, ob eine „Delle“ im Schwerefeld ihre Ursache innerhalb des Körpers oder auf der Oberfläche hat. Erst im Zusammenspiel mit anderen Methoden, wie der Seismik, lassen sich die Ursachen trennen.
Mit GOCE wollen Geophysiker die flüssigen Gesteinswalzen studieren, die die Ursache für Kontinentaldrift und Erdbeben sind. Dort, wo die Kontinentalplatten zusammenstoßen und ins Erdinnere abtauchen, treten häufig Erdbeben auf. In anderen Gebieten driften sie auseinander, dort drängt Tiefenmaterial an die Oberfläche. Die Forscher interessieren sich dafür, was sich unter diesen Nahtstellen verbirgt.

Änderung der Meeresspiegelhöhe

Ein weiterer großer Anwendungsbereich ist die Ozeanographie. Klimaforscher diskutieren darüber, ob der Meeresspiegel in Folge einer globalen Erwärmung steigen wird. Die Messung des Meeresniveaus ist jedoch in dem geforderten Genauigkeitsbereich von etwa einem Zentimeter sehr schwierig, denn bislang fehlt eine genaue Referenzfläche, zu der Veränderungen relativ gemessen werden können. Geoforscher nennen diese Fläche Geoid. Das Geoid („Normal-Null“) ist eine imaginäre Fläche, die ein im Ruhezustand befindlicher, die gesamte Erde vollständig bedeckender Weltozean unter dem Einfluss der Schwerkraft besitzt. Derzeit weichen die Werte für dieses „Normal Null“ weltweit zwischen den Kontinenten um bis zu einem Meter voneinander ab. Daher kann bislang die Meeresspiegelhöhe in einem Teil der Welt nicht mit dem in einem anderen verglichen werden. Das ist aber notwendige Voraussetzung, um globale Veränderungen nachzuweisen. Mit GOCE soll diese Referenzfläche weltweit auf einen Zentimeter, gebietsweise sogar bis auf wenige Millimeter genau, festgelegt werden.

Einblicke in die Dynamik der Weltozeane

GOCE data products
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Diese globale „Eichung" stellt auch für weitere Anwendungen eine wesentliche Voraussetzung dar: Durch den zeitlichen Vergleich der Schwerefeldmessungen wird es möglich sein, Massenumlagerungen im Erdinneren, auf den Kontinenten, in den Ozeanen und in den eisbedeckten Gebieten unseres Planeten zu erfassen. Mehr noch: Die hochpräzisen Messwerte des Erdschwerefeldes werden völlig neue Einblicke in die Dynamik der Weltozeane ermöglichen, die wiederum einen starken Einfluss auf das Wettergeschehen und die globale Veränderung des Klimas haben.

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