Satellitenzwillinge Tom & Jerry belegen Grundwassermangel in Europa

Extremwettereignisse mit Starkregen und Überschwemmungen mögen oftmals einen anderen Eindruck hinterlassen. Zwei Satelliten bestätigen hingegen, wie sich das Grundwasser in Europa auf niedrigem Niveau bewegt. Die Zwillingssatelliten namens Tom und Jerry, die die Erkenntnisse ermöglichen, umrunden seit 2018 den Erdball in knapp 490 Kilometern Höhe rund 15 Mal am Tag. An ihrer Datenauswertung sind im Rahmen des EU-Projekts „Global Gravity-based Groundwater Product“ (G3P) Wissenschafter der TU Graz beteiligt.

„Wir kriegen hier tatsächlich Probleme mit der Wasserversorgung, da müssen wir uns Gedanken machen“, fasste Torsten Mayer-Gürr vom Institut für Geodäsie an der TU Graz die bisherigen Auswertungen zusammen. Der Forscher leitet die Arbeitsgruppe Theoretische Geodäsie und Satellitengeodäsie an der TU und beschäftigt sich mit großräumigen Veränderungen auf der Erde, insbesondere im Rahmen des Klimawandels.

Das Messen der Masseverteilungen durch Satellitendaten wird seit über 20 Jahren betrieben. 2002 startete das erste Grace-Satellitenpaar, das 15 Jahre Daten lieferte, bevor 2018 die leistungsfähigeren Nachfolger den Dienst aufnahmen, damit die Grundwasservermessung aus dem Weltall mithilfe der sogenannten Satellitengravimetrie weitergehen kann. Sie jagen laut TU mit einer Geschwindigkeit von 30.000 km/h in einem Abstand von rund 200 Kilometern zueinander um den Globus. Aus der Veränderung ihres Abstandes können die Wissenschafter Rückschlüsse auf die globalen Grundwasservorkommen ziehen. Wichtig dabei ist, wie sich im Flug ihr Abstand ändert.

Überfliegt nämlich ein Satellit eine Region mit erhöhter Schwerkraft, wird er leicht angezogen und der Abstand zum anderen Satelliten vergrößert sich. Die Alpen üben beispielsweise eine höhere Anziehungskraft aus als die ungarische Tiefebene. Lässt der Satellit die massereiche Region hinter sich, verlangsamt er sich. Aus den gewonnenen Daten können globale Schwerefeldkarten erzeugt werden.

Monatliche Schwerekarte der Erde

Räumliche und zeitliche Masseverlagerungen – wie sie beispielsweise durch den Verlust von Eismasse gegeben ist – manifestieren sich in räumlichen und zeitlichen Schwere-Schwankungen: So machen sich Eismassenveränderungen in Grönland und der Antarktis auch im Schwerefeld der Erde deutlich bemerkbar. Geodäsie-Experten und Hydrologen können mittels der sogenannten Satellitengravimetrie nicht nur Rückschlüsse auf das Wachsen und Schmelzen von Gletschern, Masseveränderungen von Flüssen und Seen, sondern auch das unterirdische Wasservorkommen ziehen. Wenn beispielsweise in Indien der Monsun einsetzt, steigt der Grundwasserspiegel an – und damit die Masse – wie sich an den Bewegungen der Satelliten erkennen lässt.

Mit Hilfe des Satelliten-Duos „Tom und Jerry“ berechnen Torsten Mayer-Gürr und sein Team, wie sich der Meeresspiegel verändert, wo es zu Überschwemmungen kommen kann und vieles mehr. © TU Graz

Auch bei den beiden Nachfolgersatelliten, die für das europäische Projekt herangezogen werden, erstellen die Experten der TU Graz monatlich eine aktuelle Karte des Schwerefelds der Erde. „Die Prozessierung und der Rechenaufwand sind hier ziemlich groß. Wir haben alle fünf Sekunden eine Abstandsmessung und damit eine halbe Million Messungen pro Monat. Daraus bestimmen wir dann die Schwerefeldkarten“, verdeutlichte Mayer-Gürr.

Um die Schwere bzw. die Veränderungen der Schwere des Grundwassers über einer bestimmten Region zu ermitteln, arbeitet man mit Partnern wie etwa am Geoforschungszentrum in Potsdam, den Universitäten Bern und Zürich sowie französischen, spanischen und niederländischen Projektpartnern zusammen: Von der von den Grazer Experten gelieferten Grundmasse werden die Masseveränderungen in den Flüssen und Seen, die Bodenfeuchtedaten, Schnee und Eis abgezogen. Letztlich kann man auf die Grundwassermengen schließen. Eva Börgens vom Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam hat beispielsweise bereits 2020 auf diesem Weg belegt, dass es im Sommer 2018 und 2019 einen eklatanten Wassermangel in Europa gab. Seit damals sind die Grundwasserpegel konstant niedrig geblieben.

Dass die Wassersituation in Europa mittlerweile so heikel geworden ist, hat sich Mayer-Gürr nicht erwartet: „Ich hätte mir vor ein paar Jahren nicht gedacht, dass Wasser in Europa einmal ein Problem sein könnte, vor allem in Deutschland und Österreich.“

Für die 2030er-Jahre ist eine Nachfolge-Mission geplant, bei der neben der NASA auch die europäische Raumfahrtagentur ESA, zu deren Etat das österreichische Klimaschutzministerium (BMK) beiträgt, mit an Bord sein wird. „Die Idee ist, zwei Satellitenpaare, die zueinander geneigt sind, im Orbit zu positionieren. Ihr Zusammenspiel kann die räumliche und zeitliche Auflösung stark erhöhen. Die globale Massekarte könnte dann nicht mehr nur monatlich, sondern wöchentlich oder täglich erstellt werden“, so Mayer-Gürr. Bei der Datenauswertung wird die TU Graz dann auch wieder mit an Bord sein.

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