Durch die Gravitationsbrille ins Innere der Erde schauen

Forschung

14.3.2016

Wie verändert sich das Eis der Polkappen? Und welche geologischen Eigenschaften hat die Erdkruste darunter? Welche Struktur hat die Grenzfläche zwischen Erdkruste und Erdmantel? Um diese Fragen zu beantworten, können Geophysiker künftig Daten des GOCE-Satelliten der ESA nutzen, mit dessen Hilfe das Schwerefeld der Erde vermessen wurde. Geodäten der Technischen Universität München (TUM) haben nun die Messdaten so aufbereitet, dass sogar Strukturen tief unter der Oberfläche sichtbar werden.

Graviationsgradienten über dem Nordatantik. (Bild: Bouman / TUM)

Könnte ein Astronaut Gravitationsfelder sehen, so erschiene ihm die Erde nicht rund, sondern verbeult wie eine Kartoffel. Der Grund: Die Massen in Ozeanen, Kontinenten und tief im Erdinneren sind ungleich verteilt. Die Gravitationskraft ist daher von Ort zu Ort unterschiedlich. Diese Variationen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, haben hochempfindliche Beschleunigungssensoren an Bord des ESA-Satelliten "Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer" (GOCE) gemessen.

Mehrere Hundert Millionen Datensätze hat der Satellit von 2009 bis 2013 zur Bodenstation gefunkt. Die TUM ist maßgeblich an der Entwicklung der Mission und an der Auswertung und Nutzung der Messungen beteiligt. "Dank dieser Daten ist es gelungen, das Gravitationsfeld der Erde sehr genau zu kartieren. Und jetzt können wir die Messwerte sogar nutzen, um – quasi durch die Gravitationsbrille – tief unter die Oberfläche unseres Planeten zu sehen", erklärt Dr. Johannes Bouman vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut der TUM (DGFI-TUM) und Leiter der Projektgruppe GOCE+ GeoExplore.

Erdkruste wird durchsichtig

Auf den Karten des Schwerefelds, die das Team jetzt in der Online-Fachzeitschrift "Scientific Reports" veröffentlicht hat, erkennt man beispielsweise im Nordatlantik einen breiten roten Streifen, der erhöhte Gravitation symbolisiert. Dies deckt sich mit dem plattentektonischen Modell: Zwischen Grönland und Skandinavien steigt entlang des Mittelozeanischen Rückens dichtes und schweres Material aus dem Erdmantel auf, kühlt ab und bildet frische ozeanische Kruste.

"Wir konnten hier mit den Schwerefeldmessungen wichtige Ergänzungen zum plattentektonischen Modell liefern, indem wir Rückschlüsse auf die Dichte und Mächtigkeit von unterschiedlichen Platten ziehen", erläutert Bouman. Zwei Jahre hat er zusammen mit seinem Team an der Aufbereitung der GOCE-Daten gearbeitet. Diese galten als schwer interpretierbar, weil Höhe und Orientierung des Satelliten, als er um die Erde kreiste, nicht immer gleich waren. "Mit Hilfe von GPS wurde er zwar ständig lokalisiert, doch bei der Auswertung der Daten musste man jede Messung mit den gespeicherten Koordinaten korrelieren", erinnert sich der TUM-Forscher. Durch die Algorithmen, die er mit seinem Team entwickelt hat, ist es gelungen, die Daten so zu transformieren, dass Geophysiker sie künftig ohne weitere Korrekturen nutzen können.

Zwei Gitter – zwei Augen

Der Trick: Die Messwerte wurden nicht mit der tatsächlichen Flugbahn des Satelliten korreliert, sondern auf zwei Referenz-Ellipsoide umgerechnet. Diese Ellipsoide, welche die Erde in 225 und 255 Kilometern Höhe umspannen, haben eine konstante Höhe, und auch ihre geographische Orientierung ist definiert. Jedes Ellipsoid besteht aus 1,6 Millionen Gitterpunkten, die sich kombinieren lassen. "Auf diese Weise kann man, wie beim stereoskopischen Sehen mit zwei Augen, die dritte Dimension sichtbar machen. Dies erlaubt uns bis in 200 Kilometer Tiefe zu blicken. Kombiniert man diese Informationen dann noch mit den 2D-Karten, so erhält man ein dreidimensionales Bild der Erde. In Kombination mit einem geophysikalischen Modell erlauben diese Informationen also einen Blick ins Erdinnere", erklärt Bouman.

Neue Daten können Modelle verbessern

"Für Geophysiker ist die Methode sehr interessant", betont Prof. Jörg Ebbing, Mitautor und Leiter der Arbeitsgruppe Geophysik und Geoinformation der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. "Bisher basieren die Modelle überwiegend auf seismischen Messungen. Aus dem Weg, den Erdbebenwellen zurücklegen, kann man beispielsweise rückschließen auf Grenzen zwischen Erdmantel und -kruste. Dank der neuen Daten können wir unsere Vorstellungen überprüfen und verbessern."

Die Analyse der Erdkruste im Nordatlantik ist dabei nur der Anfang. "Mit Hilfe der geodätischen Daten aus der GOCE-Mission wird man künftig den Aufbau der gesamte Erdkruste genauer untersuchen können", ergänzt Prof. Florian Seitz, Direktor des Deutschen Geodätischen Forschungsinstituts der TUM. "Und wir können sogar dynamische Bewegungen wie das Abschmelzen der polaren Eisschilde sichtbar machen, für die die Seismik blind war."

Das GOCE+ GeoExplore Projekt wurde von der Europäischen Weltraumorganisation ESA im Rahmen des Support to Science Element (STSE) gefördert.

Veröffentlichung:
"Satellite gravity gradient grids for geophysics", Bouman et al., Scientific Reports,
doi:10.1038/srep21050
Link zur Publikation: www.nature.com/articles/srep21050

Weitere Informationen:

Kontakt:
Prof. Florian Seitz
Technische Universität München
Direktor des Deutschen Geodätischen Forschungsinstituts
Telefon +49 (89) 23031-1106
florian.seitz@tum.de

Technische Universität München

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