Wasserspeicher stellen einen essentiellen Teil des globalen Wasserkreislaufs dar. Als Kurz-, Mittel- oder Langzeitspeicher haben sie unterschiedliche Aufgaben und Nutzen für Natur und Mensch. Anhand eines Standortes im TERENO-Nordost-Observatorium in Norddeutschland wird untersucht, wie man satellitenbasierte Messungen von Wasserspeicheränderungen mit einem Netz aus terrestrischen Schweremessungen kombinieren kann. Damit können auch Fragestellungen beantwortet werden, die eine höhere räumliche oder zeitliche Auflösung solcher Wasserspeicheränderungen benötigen, als GRACE/ GRACE-FO derzeit bereitstellen kann.
Dr. Marvin Reich, GFZ
Terrestrische Gravimetrie in Nordostdeutschland
Im Rahmen des 2011 etablierten Observatoriums TERENO-Nordost, einem Fokusgebiet zur Untersuchung von Prozessen des globalen Wandels auf die natürliche Umwelt, betreibt die Sektion 4.4 HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi... des GFZ im Müritz Nationalpark zahlreiche Messstandorte zur kontinuierlichen Beobachtung von Niederschlag, Bodenfeuchte, Grundwasser, Seespiegeln, Saftfluss in Bäumen und anderen relevanten hydro-meteorologischen Parametern. Neben klassischen hydrologischen Methoden kommt hier auch die terrestrische Gravimetrie zum Einsatz.
Seit 2017 misst ein supraleitendes Gravimeter (iGrav, Firma GWR) kontinuierlich die lokalen Veränderungen der Erdschwere und damit Massenvariationen auf und unter der Erdoberfläche. Die Messungen werden so prozessiert, dass vor allem Aussagen über den regionalen Wasserhaushalt getroffen werden können. Das bedeutet, dass alle nicht-hydrologischen Informationen aus den Messdaten des Gravimeters entfernt werden. In Kombination mit den unabhängigen Messungen von Bodenfeuchte und Grundwasserspiegel können dann einzelne Speicherkompartimente näher analysiert werden. Der Messbereich des Gravimeters an diesem Standort erstreckt sich über einen Radius von ungefähr 2 km um das Gerät. Zur Erweiterung der Aussagefähigkeit auf einen größeren Raum werden seit 2022 im Rahmen des an der Universität Hannover koordinierten Sonderforschungsbereichs „TerraQ“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) regelmäßig regionale Schweremessungen um das supraleitende Gravimeter durchgeführt (siehe Abb. 1).
Diese werden mit feldtauglichen Federgravimetern realisiert (CG-6, Firma Scintrex). Bei diesen Kampagnen werden repräsentative, räumlich verteilte Punkte im Abstand von einigen Monaten wiederholt gemessen und die Daten mit dem kontinuierlich messenden iGrav zusammengebracht. Änderungen des gerätespezifischen Langzeitmessverhaltens (Drift) des iGravs werden zudem seit 2020 mit dem neuen Absolut-Quantengravimeter durchgeführt (AQG, Firma Exail).Dementsprechend kommen insgesamt 3 Gravimetertypen in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Auflösungen in dem Messregime zum Einsatz (siehe Abb. 2).
Von lokalen zu großräumig regionalen Aussagen über Wasserspeicheränderungen
Die Auswertung des beschriebenen Messprogramms sowie die Erhebung weiterer Daten wird momentan weiter vorangetrieben. Es wird untersucht, wie repräsentativ die von einem einzelnen Supraleitgravimeter erhobenen Daten im regionalen Kontext sind. Langfristig dient diese Analyse dem Ziel, terrestrische und satellitenbasierte Gravimetrie zu kombinieren. Dazu wird im Rahmen von „TerraQ“ am Beispiel des Standorts in TERENO-Nordost untersucht, wie solche terrestrischen Messungen (einschließlich Auflasteffekten aus GNSS) zu einer verbesserten räumlich-zeitlichen Auflösung von GRACE/GRACE-FO beitragen können. Mit monatlichen Aussagen in einer Fläche von ca. 300 x 300 km ist sowohl die zeitliche als auch die räumliche Auflösung von satellitenbasierten terrestrischen Wasserspeicheränderungen (TWA) noch recht grob und für manche anwendungsorientierte und gesellschaftlich relevante Fragestellungen nicht ausreichend. Beispiele hierfür sind Aussagen über die Verfügbarkeit von lokalen Grundwasservorkommen, deren gezielter Entnahme für Trinkwasser und Landwirtschaft oder aber auch über die Entwicklung des Bodenwasserhaushalts von Bäumen und Pflanzen in trockenen Sommerperioden. Die Verknüpfung der genannten Beobachtungsverfahren ist daher sehr aussichtsreich, um Wasserspeicheränderungen für Fragestellungen mit verschiedenem raum-zeitlichen Bezug in Zukunft mittels hoch aufgelöster, kombinierter Datenprodukte genauer quantifizieren zu können.
Weiterführende Informationen
- Hydrologische Forschung in TERENO Nordost am GFZ (https://www.gfz-potsdam.de/sektion/hydrologie/projekte/tereno-terrestrial-environmental-observatories)
- Hydrograviemtrie am GFZ (https://www.gfz-potsdam.de/sektion/hydrologie/projekte/hygra-bestimmung-hydrologischer-masseneffekte-in-gravimetermessungen-und-ihr-nutzen-in-der-hydrologie)
- Fact sheet “Wasser und Gravitation” (https://www.globalwaterstorage.info/fileadmin/Factsheets/12_03Wasser.pdf)
- Sonderforschungsbereich TerraQ, subproject C05 (https://www.terraq.uni-hannover.de/de/forschung/projekte/forschungsbereich-c-gravity-modelling-and-applications/c05)