Die Fülle der von den GRACE- und GRACE-Follow-On-Missionen gesammelten Daten hat unser Verständnis der geophysikalischen Prozesse, insbesondere in den Polarregionen, revolutioniert. Doch bereits zu Beginn der Missionen wurde deutlich, dass die von GRACE abgeleiteten Schätzwerte für die Erdabplattung nicht zuverlässig waren. Diese Schätzungen wiesen ein unerwartetes periodisches Signal von etwa 161 Tagen auf, und ihre Trends unterschieden sich von den Werten, die mit Hilfe der Laser-Entfernungsmessung bzw. Satellite Laser Ranging (SLR) an geodätischen Satelliten ermittelt wurden, die seit den 1970er Jahren zur Ableitung von Informationen über die Abplattung unseres Planeten eingesetzt wird. Die gängige Praxis besteht darin, die Schätzungen des Abplattungsterms durch Werte zu ersetzen, die aus der Laserentfernungsmessung zu sphärischen, geodätischen Satelliten gewonnen wurden. Diese Ersetzung gewährleistet die genaue Nutzung der GRACE-Datenprodukte in der wissenschaftlichen Forschung.
Prof. Dr. Krzysztof Sośnica und Filip Galdyn, Wrocław University of Environmental and Life Sciences
Die GRACE- und GRACE-Follow-On-Missionen sind mit Beschleunigungsmessern an Bord ausgestattet, um die nichtgravitativen Kräfte genau zu messen. Leider war in den letzten Monaten der GRACE-Mission der Beschleunigungsmesser auf einem der beiden Satelliten die meiste Zeit deaktiviert, um Energie zu sparen. Nach dem Start von GRACE Follow-On wurde festgestellt, dass der Beschleunigungsmesser auf einem der Satelliten im Vergleich zu dem anderen ein höheres Rauschen aufwies. Dies hatte Auswirkungen auf den birnenförmigen Parameter der Erde, der das Ungleichgewicht zwischen den Polen beschreibt, und führte zu der Empfehlung, dass die Werte des birnenförmigen Parameters in den GRACE-Lösungen durch SLR-basierte Werte ersetzt werden sollten.
Was sind die besonderen Vorteile eines zeitvariablen Erdschwerefelds, das mit SLR abgeleitet wurde?
SLR-Daten können Einblicke in globale Prozesse geben, allerdings mit einer viel geringeren Auflösung als die Daten der GRACE-Missionen. Nichtsdestotrotz sind Lösungen, die auf SLR basieren, außerordentlich konsistent, was großräumige Veränderungen angeht. Sie berücksichtigen Trends (Abb.1; links) in den Polarregionen (Abb. 1; rechts) und reichen in ihren Ergebnissen bis in die Zeit vor den GRACE-Missionen zurück, sogar bis in die 1990er Jahre. Darüber hinaus weisen die SLR-basierten Modelle keine Lücke zwischen den GRACE- und GRACE-Follow-On-Missionen sowie zukünftigen Missionen auf, die sich mit der Wiederherstellung des Schwerefeldes befassen. Die Lebensdauer der in SLR verwendeten geodätischen Satelliten ist nahezu unbegrenzt, da die Satelliten keine aktiven Geräte an Bord haben. Stattdessen werden alle aktiven Nachführgeräte auf bodengestützten Laserstationen eingesetzt, die die Entfernungen zu diesen einfachen Satelliten messen. SLR-Lösungen beruhen in erster Linie auf der präzisen Bestimmung der Umlaufbahn einfacher, kugelförmiger, geodätischer Satelliten und stützen sich auf die Laserentfernungsmessung und die anschließende Analyse, einschließlich der ordnungsgemäßen Behandlung von Umlaufbahnstörungen.
© Krzysztof Sośnica
SLR-Beobachtungen an geodätischen Satelliten, die seit langem verfügbar sind, und die hohe Umlaufbahn, die ein schnelles Absinken der Umlaufbahn aufgrund des atmosphärischen Luftwiderstands verhindert, ermöglichen eine praktisch unbegrenzte Beobachtung von Prozessen auf der Erde durch die Beobachtung von Orbitalstörungen.
Die Verfügbarkeit einer unabhängigen Technik für globale Massenänderungen ist auch entscheidend für die unabhängige Validierung der Ergebnisse gravimetrischer Missionen und für die mögliche Kombination dieser Beobachtungen, um gemischte Modelle wie SLR und GRACE zu erstellen, die die Stärken jeder Methode nutzen und z. B. den formalen Fehler der sphärischen Harmonischen niedrigen Grades reduzieren (Abb. 2).
© Krzysztof Sośnica
Bewertungen langfristiger Eismassenänderungen sind möglich, wenn Laser-Ranging-Beobachtungen verwendet werden. Die SLR-Daten zeigen, dass die größten Eismassenverluste in Grönland in den Jahren 2005-2010, 2010-2015 und zuletzt 2019-2021 mit Trends von -213,9, -287,2 bzw. -276,1 Gt/Jahr stattfanden. Die geringsten Eismassentrends gab es für 1995–2000, 2000–2005 und 2015–2020 mit +54,3, -15,5 und -75,9 Gt/Jahr. Für Grönland und die Westantarktis ist der Zeitraum 2010–2015 durch die größten Eisverluste gekennzeichnet, während der spätere 5-Jahres-Zeitraum 2015–2020 für die Antarktis ein annäherndes Massengleichgewicht herbeiführte, das den negativen Trend verringerte und zur Situation der 1990er Jahre zurückkehrte, als keine nennenswerten Veränderungen der Eismasse zu beobachten waren. Dennoch verlangsamte sich der Prozess des Eisverlusts in Grönland in den Jahren 2015–2019, um sich danach wieder zu beschleunigen.
Literaturhinweise
Gałdyn, F., Sośnica, K., Zajdel, R., Meyer, U., & Jäggi, A. (2024). Long-term ice mass changes in Greenland and Antarctica derived from satellite laser ranging. Remote Sensing of Environment. https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.113994
Gałdyn, F., & Sośnica, K. (2024). Impact of the combination and replacement of SLR-based low-degree gravity field coefficients in GRACE solutions. Progress in Earth and Planetary Science, 11(1). https://doi.org/10.1186/s40645-024-00608-z
SLR Modell im International Centre for Global Earth Models (ICGEM)