Mission Erde

Mission Erde? Die Erde ist ein hochgradig dynamischer Planet, der ständigen Veränderungen unterworfen ist. Geodynamische Prozesse innerhalb und zwischen den Teilkomponenten des Erdsystems (fester Erdkörper, Ozeane, Wasser- und Eismassen, Atmosphäre und nicht zuletzt die Biosphäre) sind vielfältig mit dem unmittelbaren Lebensraum von uns Menschen verknüpft. Zahlreiche Veränderungsvorgänge stellen subtile Indikatoren für den Klimawandel dar. Was hat das mit Geodäsie zu tun? Die Disziplin der Geodäsie beschäftigt sich mit der fortlaufenden Ausmessung der veränderlichen Geometrie von Land- und Meeresoberfläche, sowie des Schwerefeldes und der Rotation der Erde mit höchster Genauigkeit. Damit leistet die Geodäsie einen fundamentalen Beitrag zur Erfassung von Prozessen im System Erde in Raum und Zeit, und sie liefert die Datengrundlage für die Analyse der Dynamik zwischen den Systemelementen. Die präzisen geodätischen Beobachtungen erlauben es, auch sehr kleine und langsam ablaufende Veränderungen, wie den Anstieg des Meeresspiegels, tektonische Bewegungen oder das Abschmelzen von Eiskörpern zu erfassen. Dabei spielen Satelliten aufgrund ihres Blicks „von oben“ und ihrer Fähigkeit, in kurzer Zeit Daten über den gesamten Globus hinweg zu beschaffen, eine entscheidende Rolle.

Das Jahr 1957 markiert einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklungsgeschichte der Geodäsie: Mit dem Start des ersten künstlichen Satelliten Sputnik 1 wird die Vermessung der Erde geradezu revolutioniert. Die Geodäsie ist eine der ältesten Wissenschaften der Welt. Ihre Anfänge liegen bereits um etwa 8000 v.Chr., als die Menschen begannen, landwirtschaftliche Flächen zu bewirtschaften. Frühe Hochkulturen in Ägypten und Mesopotamien verfeinern ihre vermessungstechnischen Fertigkeiten, und im alten Rom wären Bauprojekte wie Brücken, Tunnel und Wasserleitungen ohne Geodäsie undenkbar. Mindestens ebenso alt ist die Frage nach der Form der Erde: Scheibe, Kugel oder Ellipsoid? Auf dem Weg zur Klärung dieser Frage begegnen uns die wohl größten Namen in der Geschichte der Naturwissenschaften: Galilei, Kepler, Newton, Gauß, Humboldt, Helmert und letztlich auch Einstein. Abenteuerliche, jahrelange Expeditionen in abgelegene Länder werden durchgeführt, um die Abplattung der Erde an den Polen zu bestimmen. Letztlich konnte diese aus wenigen Wochen an Sputnik-Bahndaten viel genauer ermittelt werden als es davor in jahrtausendelangen Bemühungen gelungen ist.

Heute sind wir mit modernen geodätischen Beobachtungsverfahren in der Lage, die geometrische Figur, das Rotationsverhalten und das Schwerefeld der Erde sowie deren zeitliche Veränderungen mit extrem hoher Genauigkeit aus dem Weltraum zu vermessen. Als Grundlage dafür benötigen wir einen globalen und langzeitstabilen Bezug: ein geodätisches Referenzsystem. Milliarden von Nutzern schätzen das Potenzial globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS), deren Einsatzbereiche in den vergangenen Jahren geradezu explodiert sind, und die unseren Alltag tief durchdrungen haben. Neben GNSS gibt es aber noch weitere Beobachtungsverfahren, die für die Vermessung unseres Planeten von zentraler Bedeutung sind. Dazu gehören Laserentfernungsmessungen, mit denen Satellitenbahnen und Positionen auf der Erde hochgenau bestimmt werden können. Die Radioastronomie ermöglicht durch den Empfang von Radiosignalen entfernter Galaxien die präzise Bestimmung der Orientierung unseres Planeten im Weltraum. Die Satellitenaltimetrie vermisst mit einem aktiven Radarsystem die Meeresoberfläche zentimetergenau und kann damit auch Veränderungen des Meeresspiegels zuverlässig bestimmen. Satellitenmissionen zur Vermessung des Erdschwerefeldes liefern wichtige Informationen, um die Massenverteilung der Erde und Massentransportprozesse wie das Abschmelzen der Eisschilde zu detektieren.

Die moderne Satellitengeodäsie liefert uns eine Fülle an Beobachtungsdaten, die uns Informationen über eine Vielzahl an Prozessen im System Erde liefern. Teilweise tragen diese Prozesse ein erhebliches Zerstörungspotenzial in sich, und somit ist die kontinuierliche Erfassung von kleinsten Veränderungen von großer Bedeutung. Die träge Bewegung tektonischer Platten von einigen Millimetern bis Zentimetern pro Jahr kann plötzliche Erdbeben mit Deformationen von mehreren Metern auslösen. Erdbeben im Ozean können Tsunamis verursachen, die beim Auftreffen auf die Küste eine mindestens so große zerstörerische Kraft haben wie das Erdbeben selbst. Wesentlich gemächlichere, aber langfristig nicht minder bedrohliche Vorgänge zeigen sich in den Weltmeeren durch Veränderungen der Meeresoberfläche. Wir messen für den Meeresspiegelanstieg einen globalen Durchschnittswert von mehr als 3 Millimetern pro Jahr, allerdings mit großen regionalen Unterschieden. Durch unterschiedliche geodätische Messverfahren können wir sogar die Schuldigen dafür identifizieren. Einer der Hauptdelinquenten sind die großen Eisschilde in Grönland und der Antarktis, die zusammen aktuell fast 500 Gigatonnen an Eismasse pro Jahr an die Ozeane verlieren. Große Wassermassenveränderungen beobachten wir auch in den Kontinenten, beispielsweise durch großräumige Veränderung von Grundwasserständen. Das Verständnis des globalen Wasserkreislaufs ist hinsichtlich der Verfügbarkeit von Trink- und Nutzwasser gesellschaftlich höchst relevant, genauso wie das Schadenspotenzial durch Fluten und Dürren. Viele dieser Phänomene sind Indikatoren für nachhaltige Veränderungen im Klimasystem unseres Planeten.

Die hochgenauen Satellitendaten liefern wertvolle Beiträge für ein weitgefächertes Aufgabenspektrum unserer modernen Gesellschaft. Ein fundamentales geodätisches Produkt sind globale Referenzrahmen, die einen einheitlichen Bezug für alle raumbezogenen Daten (Geoinformationen) weltweit gewährleisten. Dies ist unabdingbar für alle Positionierungsaufgaben, die Satellitennavigation sowie ein genaues Kataster-, Land- und Ressourcenmanagement. Die präzisen Satellitenbeobachtungen sind ebenso unverzichtbar, um die Veränderungen unseres Planeten verlässlich zu erfassen und auf diese Weise wichtige Informationen für die Erforschung des Erdsystems zu generieren. Die geodätischen Beobachtungen liefern die Grundlage für die Bestimmung der Auswirkungen des Klimawandels sowie für die Entwicklung und den Betrieb von Warnsystemen zum Schutz vor Naturgefahren. Drei gesellschaftlich besonders relevante Themenbereiche werden näher beleuchtet: die Satellitennavigation, die Erdsystemforschung und der Klimawandel. Mit Interviewbeiträgen der renommierten Fachexperten Günter Hein, Harald Lesch und Stefan Rahmstorf wird die satellitenbasierte Sicht „von oben“ durch deren Einblicke „von außen“ wesentlich erweitert.