Eine Rokot-Rakete startete am 17. März 2002 vom russischen Weltraumbahnhof Plesetsk und brachte zwei nahezu identische Satelliten in eine Erdumlaufbahn. Zusammen formen sie das "Gravity Recovery and Climate Experiment", kurz "GRACE". Seit ihrem Start umrundete das Satellitenpaar unseren Heimatplaneten mehr als 55 000-mal in gut 500 Kilometer Höhe in einer Bahn, die es alle 95 Minuten über beide Pole trägt. Die künstlichen Trabanten flitzen auf ihrer Bahn in etwa 220 Kilometern Abstand hintereinander her. Dieser Umstand hat ihnen bei den Wissenschaftlern die Spitzname "Tom" und "Jerry" eingebracht.

Das Satellitenpaar GRACE in der Erdumlaufbahn
© NASA, JPL
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Der enge Formationsflug dient einem Primärziel: hochgenau leichte Veränderungen in der Anziehungskraft der Erde aufzuspüren. Dazu messen die beiden Satelliten ständig ihren exakten Abstand: Die mittlere Entfernung von 220 Kilometern bestimmen sie auf fünf Mikrometer genau, das entspricht dem Zehntel Durchmesser eines menschlichen Haars. Wäre die Erde eine perfekt gleichmäßig aufgebaute Kugel, so wäre die Anziehungskraft der Erde überall gleich stark. Dann flögen beide Satelliten auf perfekten Ellipsenbahnen und ihr Abstand zueinander bliebe stets konstant. Die Erde ist keine homogener Himmelskörper, und so variiert die Schwerkraft und die Sonden weichen von der perfekten Bahn ab: Überfliegen sie eine Region mit leicht erhöhter Schwerkraft, so wird zuerst der vorfliegende Satellit, dann der Verfolger leicht stärker angezogen. So weichen beide nacheinander leicht vom Kurs ab, was sich wiederum im gegenseitigen Abstand niederschlägt. Analog ergeben sich Änderungen des Abstands, wenn sie ein Gebiet mit leicht geringerer Anziehungskraft überfliegen.

Saisonale Schwankungen im globalen Wasserhaushalt
© GFZ Potsdam
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Möglich sind diese Präzisionsmessungen dank einer Zusammenarbeit zwischen der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Ihren Ursprung hat die GRACE-Mission im Jahr 1996, als sie vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) und drei US-Institutionen geplant wurde; ein Jahr später wurde sie von der NASA zur Ausführung ausgewählt. GRACE greift auf die Erkenntnisse und Erfahrungen der Vorläufermission CHAMP zurück, die von Christoph Reigber am GFZ-Potsdam konzipiert wurde und erstmals ein hochgenaues Bild des Erdkörpers, des Geoids, lieferte. Die Auswertung der gewonnen Messdaten von GRACE obliegt dem GFZ und seinen US-Partnerinstitutionen. Neue Maßstäbe setzte GRACE schon bevor sie im Erdorbit war: mit Astrium in Friedrichshafen beauftragte die NASA erstmals ein nicht-amerikanisches Unternehmen mit dem Bau eines Satelliten.

Doch auch nach dem Start in die Erdbahn übertraf GRACE die gestellten Erwartungen bei weitem. Erstmals war es möglich, räumlich hoch präzise Messungen des Erdgravitationsfelds mit hundertfach besserer Auflösung als zuvor zu erhalten; besser noch: die Messdaten hatten eine zeitliche Auflösung von nur gut 30 Tagen. Nach diesem Zeitraum hat das Satellitentandem genug Daten für eine vollständige globale Karte gesammelt. Diese stehen jedoch nicht nur den Missionswissenschaftlern, sondern auch einer großen Nutzergemeinde weltweit zur Verfügung. Nicht nur geologische Ursachen verstecken sich hinter den Variationen der Schwerkraft, sondern auch zahlreiche klimarelevante Prozesse machen sich so bemerkbar. GRACE konnte erstmals global, gleichmäßig und hochgenau diese Abläufe abbilden.

Erstmal konnte der kontinentale Wassergehalt, der sich durch Niederschlag, Verdunstung, Abfluss und Speicherung verändert, über lange Zeitskalen überwacht werden. Dabei beobachtete GRACE die Veränderungen der großen Flussbecken, aber auch die gewaltige Grundwasserentnahme in Kalifornien und Nordindien zum Zwecke künstlicher Bewässerung. Von enormer Bedeutung für das Verständnis des Klimawandels ist die quantitative Messung der Eisschmelze in den Polar- und Gletschergebieten der Erde. Sowohl die Eisschmelze als auch die globale Erwärmung führen zum Anstieg des Meeresspiegels. Mit den GRACE-Daten konnten erstmals beide Einflüsse von einander getrennt beobachtet werden. Die Forscher des GFZ konnten mit Hilfe der Messdaten einen engen Zusammenhang zwischen dem Klimaphänomen La Nina, den Niederschlägen in der Westantarktis und dem dortigen Schwund des Eispanzers nachweisen. Doch GRACE eröffnete auch neue Blicke in die Tiefen der Weltmeere: Aus den Messdaten erhielten die Wissenschaftler ein verbessertes Verständnis der globalen Ozeanzirkulation und damit des klimarelevanten Wärmetransports vom Erdäquator zu den Polgebieten.

Die Erde als Kartoffel
© GFZ Potsdam
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Die Messungen verbesserten zudem kontinuierlich unser Bild vom Schwerefeld der Erde. Ein möglichst genaues Bild von unserem ganz leicht kartoffelförmigen Heimatplaneten ist eine unabdingbare Voraussetzung für die kombinierte Auswertung weltweiter Sensorsysteme. Dazu zählen GPS, satellitengestützte Laserabstands und -höhenmessungen, sowie lokale Pegelstandmessungen zur Ermittlung des klimabedingten Meeresspiegelanstiegs. Doch auch die tägliche Wettervorhersage wird durch GRACE verbessert: Aus den Daten gewinnen die Forscher globale Temperatur- und Wasserdampfprofile, die innerhalb von gut zwei Stunden den Wetterdiensten zur Unterstützung der Vorhersagemodelle zur Verfügung stehen.

Zum zehnten Geburtstag gab es auch noch ein besonderes Geschenk: Die GFZ-Forscher haben die gesamten Missionsdaten noch einmal mit verbesserten Korrekturmodellen, Messdaten und Rechenmethoden analysiert. Dies scheint die Schwerefeldmodelle um einen weiteren Faktor zwei zu verbessern. Am 17. März 2012 wurden diese Daten für die weltweite Nutzergemeinde freigegeben.

Dass GRACE einen zehnten Geburtstag feiern würde, war zu Start der Mission nicht klar. Das Satellitenpaar befindet sich nun mehr als doppelt so lange wie ursprünglich geplant im All. Ein Ende der so erfolgreichen Mission ist absehbar, doch kein Grund zu Sorge: eine Nachfolgemission mit dem Name GRACE-FO (Follow-on) ist bereits auf den Weg gebracht. Die Forscher sind zuversichtlich, dass diese Erben von "Tom" und "Jerry" ab 2016 die Erde umkreisen und weiterhin zuverlässige Daten über die Veränderungen des globalen Klimas liefern werden.