Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ und die GRACE-Satellitenmissionen

Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ ist Deutschlands nationales Zentrum für die Erforschung der festen Erde, um Lösungen für die großen gesellschaftlichen Fragestellungen zu entwickeln und den Planeten Erde als einen sicheren Lebensraum zu erhalten. Diese Herausforderungen sind untrennbar mit dem globalen Wasserhaushalt und der sich ändernden Wasserverfügbarkeit verbunden.  

Die Satellitenmissionen GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GRACE-FO (Follow-On) dokumentieren großräumige Massenveränderungen im System Erde, die von anderen Missionen nicht detektiert werden können. Ziel der Missionen ist es, die Auswirkungen der vielfältigen und komplexen Rückkopplungen menschlichen Handelns auf den globalen WasserkreislaufDer Wasserkreislauf beschreibt den Transport von Wasser aus den Meeren, durch die Atmosphäre, auf das Festland und von dort wieder zurück in die Meere. Das Wasser wechselt bei dieser Reise mehrfach seine Aggregatzustände, d.h. es bewegt sich als f..., den Meeresspiegelanstieg und das KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...system dauerhaft zu beobachten. Das GFZ engagiert sich seit mehr als 20 Jahren gemeinsam mit seinen deutschen und amerikanischen Partnern in den GRACE-Satellitenmissionen. 

Durch den großen wissenschaftlichen Erfolg der ersten GRACE-Mission (2002-2016) hat das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) seit 2009 gemeinsam mit JPL/NASA die Nachfolgemission GRACE-FO geplant und die Finanzierung der deutschen Missionsanteile realisiert. Neben der Startrakete, dem Missionsbetrieb sowie der wissenschaftlichen Auswertung beinhaltete dies auch die Erstellung der optischen Komponenten eines Laser Ranging Interferometers (LRI) als Technologiedemonstrator für zukünftige Schwerefeldmissionen in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover.

Für die dritte Mission, GRACE-C, die ab 2028 auf der Basis von LRI-Beobachtungen die Zeitreihe von GRACE-FO fortsetzen soll, hat das GFZ zusammen mit dem DLR und in enger Abstimmung mit der NASA die Planungsphasen durchgeführt und die notwendige Finanzierung der deutschen Missionsanteile (ähnlich GRACE-FO) im November 2022 sichergestellt. 

Nach dem Start mit einer geeigneten Trägerrakete muss der Betrieb der beiden Satelliten und seiner Instrumente kontinuierlich überwacht und gesteuert werden. Dazu hat das GFZ für GRACE-FO das German Space Operation Center (GSOC) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) beauftragt. Die Aufgaben sind vielfältig. Sie beinhalten das Absetzen von notwendigen Kommandos an die Satelliten und Instrumente, den Datenempfang, die Vorverarbeitung der erhaltenen Telemetriedaten und die Übergabe dieser Daten über das Rohdatenzentrum (Raw Data Center, RDC) am GSOC an das wissenschaftliche Prozessierungssystem (Science Data System, SDS) zur weiteren Verarbeitung und Erstellung der wissenschaftlichen Produkte. Das GFZ ist neben dem Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasdena (Kalifornien/USA) und dem Center for Space Research der Universität in Austin (Texas/USA) Teil des SDS. Die vom GSOC eingesetzten Antennen in Weilheim (Bayern) und Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern) haben aber nur etwa alle 12 Stunden Kontakt mit den beiden Satelliten. Darum betreibt das GFZ für GRACE-FO (und später für GRACE-C) die primäre Empfangsstation in Ny-Ålesund auf Spitzbergen. Durch ihre polnahe Lage (78° 55´ Nord) hat die GFZ-Station quasi jeden Umlauf, also etwa alle 95 Minuten, Kontakt mit den Satelliten, wodurch die Daten deutlich schneller für weitere Auswertungen zur Verfügung stehen und das Projekt im Notfall viel schneller auf evtl. Probleme an Bord der Satelliten reagieren kann.

Die monatlichen Level-2 Schwerefeldprodukte des SDS liegen in Form von Kugelfunktionskoeffizienten vor, die nur schwer von Nicht-Expert:innen für weitere Analysen ausgewertet werden können. Darum generiert das GFZ im Gravity Information Service (GravIS) zusammen mit dem Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven sowie der Technischen Universität Dresden vollständig korrigierte monatliche Level-3 Gitterdaten für die Landflächen, die Ozeane und die beiden großen Eisschilde in Grönland und der Antarktis.
Das GFZ betreibt zur Verteilung der Daten an die internationale Nutzergemeinschaft neben den Visualisierungsmöglichkeiten im GravIS auch das Information System and Data System (ISDC), wo man alle Level-1B (korrigierte Instrumentendaten und Korrekturmodelle) bis Level-3 Produkte von GRACE und GRACE-FO kostenlos erhalten kann.