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Künstliche Sterne - Erdmodellbestimmung durch Satelliten

Mit Hilfe von Satelliten werden die Figur der Erde und die Beschaffenheit der Erdoberfläche ermittelt

Ákos Detreköi (Foto: privat).

Seit jeher hat sich die Menschheit mit großem Forschungsinteresse der Erde gewidmet - ihrer Heimat. Die Frage nach der Figur der Erde gehört zu den ältesten wissenschaftlichen Problemen. Neben Versuchen, die Form der Erde als Ganzes darzustellen, waren Informationen über die Erdoberfläche, wie beispielsweise über den Verlauf von Flüssen, stets von existenzieller Bedeutung.

Das Fachgebiet, das sich mit der Form der Erde und mit der Ortsbestimmung an der Oberfläche beschäftigt, ist die Geodäsie. Ihre Zielsetzung hat Torge (2003) so formuliert: "Die Geodäsie hat die Aufgabe, die Figur und das äußere Schwerefeld der Erde und anderer Himmelskörper als Funktion der Zeit aus Beobachtungen auf den Oberflächen und außerhalb dieser Körper zu bestimmen." Während die Perspektive der Forscher Jahrhunderte lang auf die Erdoberfläche begrenzt war, hat die Entwicklung von Raum- und Luftfahrttechnologien erstmals Beobachtungen von außerhalb ermöglicht.

Die Figur der Erde

Zur Beschreibung der Erde werden zwei Systeme herangezogen: zum einen gibt es Abbildungen der physischen Erdoberfläche, traditionell in Landkarten realisiert. Dafür wurden in letzter Zeit spezielle Geographische Informationssysteme (GIS) entwickelt. Zum anderen gibt es mathematische Modelle, die geometrische und physische Eigenschaften der Erde zu beschreiben suchen.

Hier existieren folgende Modelle

• das sphärische Erdmodell
• das ellipsoidische Erdmodell
• das Geoid.

Das sphärische Modell ist durch eine Kugel charakterisiert; es wurde bereits von den Griechen in der Antike benutzt und hat heute nur noch historische Bedeutung.

Seit dem 18. Jahrhundert wird das ellipsoidische Erdmodell benutzt, das der tatsächlichen Erdoberfläche möglichst gut angenähert wird. Heute dient es als Bezugspunkt für die Herstellung verschiedener Karten und für den Aufbau der Geographischen Informationssysteme. Das sphärische und das ellipsoidische Erdmodell sind geometrischen Ursprungs. Höheren Anforderungen an die Messgenauigkeit können sie nicht entsprechen. Deswegen wurde im 19. Jahrhundert das Geoid eingeführt, ein Bezugssystem von Höhenmessungen. Das Geoid ist als die Äquipotenzialfläche des Erdschwerefeldes definiert, also als eine Fläche,

auf der das Wasser im Gleichgewicht ist. Wenn die Erde vollständig mit Wasser bedeckt wäre, entspräche das Geoid der Meeresoberfläche (Torge 2003). Seine Gleichgewichtsfläche stünde jeweils im rechten Winkel zur Schwerkraft. Abgebildet wird das Geoid nicht als regelmäßige Fläche, sondern punktweise oder mit Isolinien.

Der Einsatz von Satelliten

Satelliten stellen gegenwärtig die wichtigste Technologie zur Bestimmung des Geoids und des Schwerefelds der Erde dar.

Zwei verschiedene Methoden werden verwendet:

• die Beobachtungen von Bahnelementen von Satelliten
• die direkte Messung des Meeresspiegels der Ozeane.

Dem bekannten Gesetz von Kepler zufolge bewegen sich Satelliten um einen zentralsymmetrischen Körper mit homogener Massenverteilung auf elliptischen Bahnen (Bosch 2002). Die Massenverteilung der Erde ist jedoch nicht homogen. Deswegen sind die Bahnen von Satelliten "gestört". Diese Bahnstörungen können mit verschiedenen Methoden bestimmt werden und ermöglichen auch die Berechnung des Schwerefelds der Erde und des Geoids.

Die Bahnelemente können von geodätischen Festpunkten an der Erdoberfläche aus gemessen werden. (Aus diesen Messungen werden die "Satellite-only"-Modelle berechnet (Torge 2002).) Eine andere Möglichkeit ist die Messung zwischen zwei Satelliten ("Satelliteto- Satellite" Tracking).

In den letzten fünfzig Jahren wurden unterschiedliche Typen von Satelliten für die Erdmodellbestimmung entwickelt. Eine gute Übersicht über die verschiedenen Satelliten und Messtechnologien hat Torge (2002) gegeben. Für die Erdmodellbestimmung können auch die Satelliten der Navigationssysteme benutzt werden. Das gegenwärtig bekannteste Navigationssystem ist das amerikanische "Global Positioning System (GPS)". Für die Beobachtung der ungefähr 25 GPS-Satelliten im All ist ein Festpunktnetz von über 500 Punkten auf der Erdoberfläche ausgebaut worden, das "International Terrestrial Reference Frame (ITRF)".

Die "Satellite-to-Satellite Tracking"-Methode ermöglicht eine sehr genaue Erfassung des Schwerefeldes und die Bestimmung seiner zeitlichen Veränderungen. Diesen Zwecken dienen die folgenden zwei Missionen (Bosch 2002): CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) und GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment).

Neben der Ermittlung der Bahnelemente ist mit den Satelliten auch eine direkte Messung des Meeresspiegels möglich. Für diese Zwecke wurden verschiedene Radaraltimetrie-Missionen organisiert (zum Beispiel TOPEX/Poseidon, ERS). Die moderne Altimetrie ermöglicht eine Bestimmung des Meeresspiegels bis auf zehn Zentimeter.

Die Kombination der verschiedenen Messergebnisse bildet die Grundlage für die Berechnung der Punkte und Isolinien des Geoids, der zurzeit mit einer Genauigkeit von wenigen Dezimetern bestimmt werden kann.

In der Formulierung der Aufgaben der Geodäsie hat Torge (2002) die verschiedenen Größen als Funktion der Zeit beschrieben. Das heißt, die Aufgabe der Geodäsie ist die Bestimmung der Bewegung der Erdoberfläche. Mit Hilfe von Satelliten lässt sich beispielsweise die Bewegung von Kontinenten aus den Änderungen von ITRF-Punkt-Koordinaten berechnen (Konecny 2003). Ein anderes Beispiel sind spezielle lokale GPS-Netze in erdbebengefährdeten Gebieten.

Eine weitere Aufgabe der Geodäsie ist die Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche. Auch hierfür werden Satelliten eingesetzt. Das entsprechende Fachgebiet ist die Fernerkundung. Satellitenaufnahmen werden entweder im optischen Bereich oder im Mikrowellen- Bereich der elektromagnetischen Strahlung hergestellt. Die Aufnahmen unterscheiden sich durch ihre geometrische und spektrale Auflösung. Die Bodenauflösung der hochaufgelösten Satellitenaufnahmen liegt bei ca. 0,6 - 1 Meter (vgl. Heipke, 2002).

Literaturverzeichnis

Bosch, W. (2002): Satellitenmissionen - Chancen und Herausforderungen für die physikalische Geodäsie, in: Am Puls von Raum und Zeit, Deutsche Geodätische Kommission (DGK), Reihe E, Heft Nr. 26, München.

Heipke, Ch. (2002): Photogrammetrie und Fernerkundung, in: Am Puls von Raum und Zeit, Deutsche Geodätische Kommission (DGK) Reihe E, Heft Nr. 26, München.

Konecny, G. (2003): Geoinformation, Taylor & Francis, London und New York.

Resnik, B./Bill, R. (2000): Vermessungskunde für Planungs-, Bau- und Umweltbereich, Herbert Wichmann Verlag, Heidelberg.

Torge, W. (2003): Geodäsie, Walter de Gruyter GmbH & Co., Berlin.

20.04.2005