Kinematik und Dynamik der Erde - Bibliothek - GFZ

2000/2001 Zweijahresbericht GeoForschungsZentrum Potsdam

IMPRESSUM
Herausgeber:
GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)
Stiftung des öffentlichen Rechts
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Redaktion:
Dr. Jörn Lauterjung
Franz Ossing
Layout:
Otto Grabe (GFZ) & Druckerei Arnold
Druck:
Druckerei Arnold
Am Wall 15
14979 Großbeeren
© GFZ Potsdam 2002
Das GFZ Potsdam ist Mitglied
der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren e.V.

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Blick aus dem Weltraum auf Zentralasien, Kirgistan und Nachbarstaaten, eine der geodynamisch aktivsten Regionen
der Erde (Landsat-TM/MSS-Falschfarbenbild aus den multispektralen Bildkanälen 4(Rot)-3(Grün)-2(Blau). Die
Vegetation erscheint in rötlichen Farbtönen.
View from Space onto Central Asia, Kyrgyzstan and surrounding countries, one of the geodynamically most active
regions in the world (Landsat-TM/MSS false color composite of multispectral bands 4(Red)-3(Green)-2(Blue).
Vegetation appears in reddish colors.

Aufgabenbereich 1
Kinematik und Dynamik der Erde
Der Planet Erde ist in ständiger Bewegung. Dazu tragen
neben der variierenden Eigenrotation der Erde um eine
sich ständig verlagernde Rotationsachse im Wesentlichen
die dynamischen Prozesse bei, die im Erdkern,
Erdmantel und in der Erdkruste ablaufen. Hinzu kommen
von außen auf den Erdkörper wirkende Drehmomente
sowie Strahlungs- und Partikelflüsse.
Meßgrößen, die mit Struktur und Dynamik oder exogenen
Einflussfaktoren zusammenhängen und die an der
Erdoberfläche bzw. im erdnahen Außenraum bestimmt
werden können, sind: das Schwere- und Magnetfeld der
Erde, die Modulation der Eigenrotation der Erde,
Variationen seismischer Wellenlaufzeiten, horizontale
und vertikale Krustenverschiebungen, Veränderungen
im Massehaushalt des globalen Wassers in seiner flüssigen,
gasförmigen und gefrorenen Form.
Zur genauen Abbildung von geogenen Prozessen und
Veränderungen sind globale, kontinuierliche und genaue
Datenreihen über lange Zeiträume von herausragender
Bedeutung. Eine globale Abdeckung der Erde mit
Beobachtungen in schneller zeitlicher Abfolge ist dabei
nur mit erdnahen Satelliten zu erreichen. Über
Bodenstationsnetze der Satellitengedäsie und Geophysik
mit guter Verteilung über den gesamten Erdball erfolgt
die Einbindung der Satellitenmessungen in den globalen
Bezugsrahmen und damit die kalibrierte Beobachtung
der dynamischen Prozesse im Erdinnern, in
der Hydrosphäre, der Kryosphäre und der Atmosphäre.
Zur adäquaten Umsetzung großer Datenmengen in
Modelle werden entsprechende Technologien und
Softwaresysteme für die Datenverwaltung und
Datenprozessierung benötigt.
Die Arbeiten des Aufgabenbereiches 1 orientierten sich
im Berichtszeitraum an den folgenden wesentlichen
Elementen: (1) die Entwicklung und der Betrieb von
Instrumenten und Trägersystemen zur Erfassung globaler
konsistenter und homogener Messreihen, (2)
Modellbildungsarbeiten mit selbstgewonnenen bzw. im
internationalen Austausch erhaltenen Datensätzen sowie
(3) Arbeiten zur Prozesserfassung und Interpretation.
Schwerpunktarbeiten waren:
• die Entwicklung, der Betrieb und die Überwachung
von Satellitenmissionen und der sie unterstützenden
Netzwerke, Empfangsstationen, Überwachungs- und
Verarbeitungssysteme. Dazu gehörten neben den
letzten Abnahmetests, dem Start und der
anschließenden mehrmonatigen Übernahme-,
Kalibrations- und Validationsphase für den Satelliten
CHAMP, die Entwicklungsarbeiten zum Wissenschaftsdatensystem
und den Laserreflektoren für die
amerikanisch/deutsche Schwerefeldmission GRACE.
Für die ESA-Fernerkundungsmission ERS-2 wurden
unter Einbeziehung des globalen Netzes von internationalen
Laserstationen und des von der GFZ-
Masterstationsmannschaft in Oberpfaffenhofen
geleiteten Netzes von globalen PRARE-Stationen
Bahnbestimmungsaufgaben übernommen.
• die Arbeiten zur Kinematik der Erde. Hierzu
gehörten neben der Bestimmung von Polkoordinaten
und Erdrotationsschwankungen die hochgenaue
Bestimmung von Oberflächenform und deren
Veränderung für kontinentale Kruste, Ozeane und
die großen polaren Eisgebiete. Die punkt- und
flächenhaften Erfassung von episodischen und kontinuierlichen
Verschiebungen in Risikozonen der
Erde, des Fließens und Veränderns von großen
Eisflächen und der Zirkulation der Wassermassen in
den Ozeanen erfolgten mit modernen satellitengeodätischen
Messverfahren, wie dem GPS, PRARE,
SLR, der Satellitenaltimetrie sowie Verfahren der
Fernerkundung im optischen und Radarbereich.
• die Entwicklungen von Verfahren der boden- und
satellitengestützten GPS-Technologie und Anwendung
in einem deutschlandweiten Netz für das
CHAMP-Radiookkultationsexperiment, um die
Tauglichkeit und Einsatzfähigkeit der GPS-Technologie
für die Sondierung der Atmosphäre, die
Kurzfrist-Wettervorhersage und die Klimaforschung
zu prüfen.
• Arbeiten zur Bestimmung und Interpretation des
globalen Erdschwerefeldes, zur verbesserten
Quantifizierung von globalen Meeresspiegeländerungen
und zur Untersuchung von zeitlichen
Veränderungen des Schwerefeldes im Zusammenhang
mit Massenumverteilungen im Erdkörper, im
Bereich der Hydrosphäre, der Kryosphäre und der
Atmosphäre. Für die Datenerfassung und
Auswertung werden dabei je nach Auflösung und
räumlicher Ausdehnung unterschiedliche Techniken
und Verfahren eingesetzt. Dazu gehören die stationäre
Präzisionsgravimetrie, die Fluggravimetrie,
die Satellitengravimetrie, die Radaraltimetrie von
Satelliten aus und verschiedene Einsatzverfahren für
die GPS-Technologie.
• Fernerkundliche Arbeiten zur Identifikation und
Quantifizierung von Objekten und Oberflächenmaterialien.
Der raumbezogene und spektrale
Informationsgehalt wird aus Daten unterschiedlicher
Satelliten- und Flugzeugsensoren und über unterschiedliche
Auswertekonzepte abgeleitet.
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Die angesprochenen Arbeiten sind eingebunden in die
GFZ-Verbundprojekte "Erdmodelle" und "Erdbebendeformationsprozesse"
und sind tragende Elemente in
den HGF-Strategiefonds-Projekten "GASP - GPS
Atmosphere Sounding" und "SEAL - Sea Level
Changes". Die Projekte CHAMP und GRACE tragen
wesentlich zum Geotechnologieprogramm-Thema 2
"Beobachtung der Erde aus dem Weltraum" bei.
Abb. 1.1: PRARE-Radom auf der Ballonhalle der
deutschen "Neumeyer"-Antarktisstation (Foto: R.
Metzig, AWI)
PRARE radom on the balloon hall of the German
Antarctic station "Neumeyer"
Globale Netze und Dienstleistungen
Zur Durchführung und Unterstützung der eigenen
Forschungsarbeiten, aber auch zur Unterstützung einer
Vielzahl von Arbeiten in nationalen und internationalen
Programmen betreibt das GFZ ein sich ständig vergrößerndes
Netz von global verteilten GPS-
Permanentstationen. Seit 2000 ist deutschlandweit ein
permanentes Netz von GPS-Empfängern auf Stationen
des Deutschen Wetterdienstes installiert worden. Daten
von diesen insgesamt mehr als 50 permanenten GFZ-
GPS-Stationen werden mit einer Verzögerungszeit von
weniger als einer Stunde in Potsdam empfangen.
Im Herbst 2000 konnte die auf S-Band-Empfang
umgerüstete GFZ/DLR 4m-Empfangsantenne endgültig
für den CHAMP-Datenempfang in Ny-Ålesund,
Spitzbergen, aufgebaut und in Betrieb genommen werden
(s. Abb. 1.2). Mit dieser Antenne in hoher geographischer
Breite (79°) können CHAMP-Daten direkt
nach jedem Umlauf empfangen und in sehr schnell verfügbare
Bahn- und Atmosphärenprodukte umgesetzt
werden.
Im Spätsommer 2001 konnte die neue GFZ-
Laserradaranlage mit Zwillingsteleskop auf dem
Telegrafenberg abgenommen werden. Seit kurzem werden
erste Testmessungen zu den Satelliten LAGEOS,
TOPEX und CHAMP durchgeführt, die zeigen, dass mit
dem neuen System Subzentimetergenauigkeiten für die
Entfernungsmessung erreicht werden können. Nach
Beendigung der Anschlussmessungen an das alte
Messsystem wird die neue Station zur offiziellen GFZ-
Laserstation im International Laser Ranging Service
(ILRS) avancieren.
Abb. 1.2: CHAMP-S-Band-Empfangsantenne in Ny-Ålesund,
Spitzbergen während des Aufbaus im Oktober
2000 (Foto: D. Sundermann, DLR)
CHAMP S-band receiving antenna in Ny-Ålesund,
Svalbard, during installation in October 2000
Abb. 1.3: Neue Lasermessanlage des GFZ auf dem
Telegrafenberg in Potsdam (Foto: B. Stöcker, GFZ)
New GFZ laser tracking station on the Telegrafenberg in
Potsdam
Neben den genannten permanenten Beobachtungssystemen
betreibt der Aufgabenbereich 1 momentan etwa
50 weitere mobil einsetzbare Mikrowellen-Systeme (10
PRARE-, 3 GLONASS-, 38 GPS-Stationen). Von diesen
Stationen sind die 10 PRARE-Stationen praktisch ebenfalls
permanent im Einsatz. Die restlichen Stationen
wurden im Kampagnenbetrieb in Zentralasien, in
Südamerika und in Mittelamerika eingesetzt.

Das PRARE-System (Precise Range and Range Rate
Equipment) dient als satellitenzentrales Zweiweg-
/Zweifrequenz-Entfernungs- und Dopplermesssystem
primär der hochgenauen Bestimmung der Bahn des
Trägersatelliten, der Koordinaten der Beobachtungsstationen
und weiterer, über die Satellitenbahn ableitbarer
geodätisch-geodynamischer Parameter. Es wurde erstmals
im Zeitraum Januar 1994 bis November 1995 vom
GFZ auf dem russischen Wettersatelliten Meteor-3/7
erprobt und ist seit Mai 1995 auf dem europäischen
Fernerkundungssatelliten ERS-2 als primäres Bahnvermessungssystem
im Einsatz.
Abb. 1.4: Funktionsschema des PRARE-Systems
Functional scheme of the PRARE system
Nachdem das System wegen der überlangen Lebenszeit
von ERS-2 die projektierte Lebensdauer inzwischen
weit überschritten hat, wurde im Mai 2000 ein
Umschalten auf das identische PRARE-Reservemodul
des Satelliten notwendig. Danach konnte wieder mit der
gewohnten Genauigkeit und Zuverlässigkeit gemessen
werden. Die einsekündlichen Entfernungsmessungen
zeigen ein Rauschen von 2,5 (Äquator) bis 6,0 cm
(Pole), das Rauschen der über 30 Sekunden integrierten
Dopplermessungen beträgt lediglich etwa 0,1 mm/s.
Die Sammlung und Verarbeitung aller PRARE-Primärund
Sekundärmessdaten (Level 0/Level 1-Daten)
betreibt das GFZ im Auftrag des DLR. Zur Zeit werden
pro Woche etwa 300 Passagen vorverarbeitet (s. Abb.
1.5). Darüber hinaus koordiniert das GFZ die
Funktionalität des weltweiten PRARE-Bodenstationsnetzes
mit 10 operationellen Bodenstationen.
Die Vorverarbeitung der Messdaten erfolgt in der -
ebenfalls vom GFZ betriebenen - PRARE-Masterstation
in Oberpfaffenhofen auf täglicher und
wöchentlicher Basis. Die aufbereiteten Messdaten
werden interessierten Nutzern zur Verfügung gestellt.
Hauptnutzer ist das GFZ selbst, das im Auftrag der
ESA diese Daten zur operationellen vorläufigen und
präzisen Bahnbestimmung des ERS-2 Satelliten
nutzt.
Neben den hochgenauen Abstands- und Dopplermessungen
liefert das PRARE-System auch Informationen
über den Gesamtelektroneninhalt pro m 2 (TEC) entlang
der Signalausbreitungsstrecke. Diese werden sowohl
aus den Einweg-Laufzeitdifferenzen zwischen dem Sund
dem X-Bandsignal, als auch aus den Zweiweg-
Messungen des Raumsegments über die DRVID-
Methode (Differenced Range versus Integrated
Doppler) abgeleitet.
Bedingt durch die lange Lebensdauer des Systems
muss inzwischen vermehrt Arbeit in die Koordinierung
des Betriebes des Bodenstationsnetzes
gesteckt werden. Mit großem Einsatz ist es gelungen,
die Zahl der global verteilten ständig beobachtenden
mobilen Stationen bei ca. 10 zu halten. In Verbindung
mit den Messungen des wetterabhängigen Laserstationsnetzes
erlaubt dies eine gute Datenabdeckung der
ERS-2-Satellitenbahn zum Zwecke der Bahnbestimmung.
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Abb. 1.5: ERS-2 PRARE- und Laser-Passagen pro Woche seit Anfang 1999
ERS-2 PRARE- and SLR-passes per week since beginning of 1999
Für die schnelle und zuverlässige Bahnbestimmung
von CHAMP, aber insbesondere auch für die
Auswertung von Okkultationsereignissen dieser
Mission wird vom GFZ und dem Jet Propulsion
Laboratory (JPL) gemeinsam ein Netz von 28 hochratigen
GPS-Empfangsstationen mit sicherer Kommunikationsanbindung
betrieben. Das Netz ist zwischenzeitlich
in die Infrastruktur des Internationalen GPS-
Dienstes (IGS) eingebunden und Daten dieses Netzes
werden intensiv für die Erstellung von IGS-
Standardprodukten und die Bahnbestimmungsuntersuchungen
in der Low Earth Orbiter (LEO)
Arbeitsgruppe des IGS genutzt.
Der Aufgabenbereich 1 ist maßgeblich an wichtigen
Komponenten der IGS-Infrastruktur beteiligt: Leitung
des Governing Boards, Leitung der Atmosphere
Working Group und des Tide Gauge Benchmark Project
for Sea Level Monitoring, Bereitstellung und Betreuung
von etwa 20 Permanentstationen im IGS-Netz, Betrieb
eines Operational Data Centers und schließlich Betrieb
eines IGS-Analysezentrums. Die am GFZ-Analysezentrum
erzeugten Produkte sind hochgenaue Bahnen
aller GPS-Satelliten, Korrekturen zu allen Satellitenuhren,
Polkoordinaten und Rotationsschwankungen.
Die höchste Genauigkeit haben hierbei die sogenannten
FINAL-Produkte, die auf wöchentlicher Basis
mit einigen Tagen Verzögerung berechnet werden.
Genauigkeiten von 2 bis 3 cm für die GPS-Bahnephemeriden,
0,1 ns für die Uhrengenauigkeit und 0,1
mas für die Polkoordinaten sind heute der vom GFZ-
Analysezentrum erreichte Genauigkeitsstand bei der
Auswertung von GPS-Beobachtungen.
Für operative Anwendungen werden täglich sogenannte
RAPID-Produkte generiert, die bereits 10 Stunden nach
Tagesende Bahnen und Uhren der GPS-Satelliten
(Genauigkeit 5 bis 8 cm bzw. 0,2 ns; Abb. 1.7) und
Erdrotationsparameter liefern.
Mit der Verbesserung der globalen Kommunikation ist
eine Vielzahl von Stationsbetreibern, so auch das GFZ,
dazu übergegangen, nicht nur einmal am Tage die GPS-
Daten an die globalen Datenzentren zu senden, sondern
stündlich. Damit wird eine Nahezu-Echtzeit-Nutzung
von GPS in der Geodäsie und Geophysik möglich. Um
diese Entwicklung zu unterstützen, werden vom IGS
ULTRA-RAPID-Produkte zweimal täglich den Nutzern
zu Verfügung gestellt. Diese beinhalten neben den
üblichen Produkten, deren Genauigkeiten denen von
RAPID sehr nahekommmen (vgl. Abb. 1.7), vor allem
auch Vorhersagen der GPS-Bahnen, die mit etwa 15 bis
20 cm Genauigkeit um wenigstens eine Größenordnung
besser als die Broadcast-Ephemeriden des GPS-Systems
sind. Diese neuen Produkte sind für Anwendungen wie
beispielsweise die Atmosphären-Sondierung von großem
Interesse und werden daher am GFZ für die
Arbeiten im GASP-Projekt sogar dreistündlich aufdatiert,
um eine Prädiktionsgenauigkeit von nahe 10 cm
zu erreichen (Abb. 1.8).

Deformationen der Erdoberfläche
Regionale GPS-Deformationsnetze sind in Südamerika
(SAGA-Netz), Zentralasien (CATS-Netz) und Südostasien
(GEODYSSEA-Netz) aufgebaut und wiederholt
eingemessen worden. Im Berichtszeitraum konzentrierten
sich die Arbeiten auf den südamerikanischen Raum.
Ziel der SAGA-Aktivitäten (SAGA: South American
Geodynamic Activities) ist ein besseres Verständnis der
Deformationsprozesse, die die Anden - als Typvertreter
für subduktionsbezogene Orogene - gestaltet haben.
Nachdem die ersten GPS-Messungen im SAGA-Netz
gezeigt haben, dass die gegenwärtige Deformation der
zentralen und südlichen Anden vom Erdbebenzyklus
dominiert wird, sind jetzt Untersuchungen zum
Verständnis der Erdbebenprozesse Thema des Projektes.
Neben co-seismischen und post-seismischen Deformationen
haben die GPS-Messungen im Rahmen des
Abb. 1.6: Globales Netz
von IGS-Stationen, für die
kombinierte troposphärische
Produkte bereitgestellt
werden
Global network of IGS stations
for which combined
tropospheric products are
available
Abb. 1.7: Genauigkeit der
ULTRA-RAPID-Bahnprodukte,
die als Basis für die
Bahnprädiktionen herangezogen
werden
Precision of ULTRA-
RAPID orbit products used
for predicting the GPS
orbits
Abb. 1.8: Genauigkeit der
ULTRA-RAPID-Bahnprädiktionen
bei dreistündlicher
Wiederholrate
Precision of the ULTRA-
RAPID predictions when
updating is every three
hours
SAGA-Projektes eine starke inter-seismische Kompression
im zentralen Teil des GPS-Netzes aufgedeckt.
Dies ist auf eine hohe Kopplung entlang des seismischen
Interface zwischen der abtauchenden ozeanischen
Nazcaplatte und der kontinentalen Südamerika-Platte
zurückzuführen. Die Ausdehnung und der Grad der seismischen
Kopplung spielen eine wesentliche Rolle bei
der Entstehung von schweren Interplatten-Erdbeben.
Geodätische Beobachtungen sind sehr wahrscheinlich
das einzige Hilfsmittel, mit dem der Grad der
Kopplung entlang der seismogenen Zone abgeleitet
werden kann. Da die Akkumulation von elastischer
Verformung, die in zukünftigen Erdbeben freigelassen
werden kann, weder räumlich noch zeitlich
gleichförmig ist, müssen geodätische Netze wiederholt
vermessen werden. Dies wurde im SAGA-Netz
in den Jahren 1999 und 2000 erfolgreich durchgeführt.
151

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Abb. 1.9: Die Vektoren zeigen die Punktverschiebungen
im Bereich des SAGA-Netzes, die nach Abzug der modellierten
interseismischen Akkumulation von den
gemessenen Vektoren übrigbleiben. Der abgeleitete seismogene
Bereich entlang der Subduktionszone ist in grau
dargestellt: dunkelgrau zeigt 100% Kopplung, hellgrau
ist der Übergangsbereich, in dem die Kopplung linear
von 100% auf 0% abnimmt. Die Konturlinien zeigen die
Wadati-Benioff-Zone an.
Red vectors depict residual displacements after subtraction
of modeled interseismic accumulation of elastic
strain from the GPS-observed vectors. The deduced seismogenic
zone along the subduction interface is shown in
dark gray (area with ~100% coupling) with a transition
zone in light gray, where the coupling decrease from 100
% to zero. Dashed contour lines show the Wadati Benioff
zone.
Die GPS-Kampagne SAGA 2000 war die zweite
Wiederholungsmessung des SAGA-Netzes (ausschließlich
SAGA-Nord). Die Nullmessung fand im
Frühjahr 1994 statt, eine erste Wiederholungsmessung
im Herbst 1996. Einige Punkte
wurden erst einmal beobachtet. Die
Wiederholungsmessung im Jahre
2000 erfasste demnach einen
Zeitraum von 6 1 /2 Jahren. Einerseits
konnte die nach der ersten
Wiederholungsmessung abgeleitete
Deformation in einigen Punkten
bestätigt werden, andererseits
ergaben sich signifikante Änderungen.
Erwartungsgemäß wurden
Variationen der Punktgeschwindigkeiten
im nördlichen und im
südlichen Netzteil festgestellt, in
denen post-seismische Relaxationsprozesse
als Folge des 1995
Mw=8,0 Antofagasta- und des 1960
Mw=9,5 Chile-Bebens vorherrschen
(vgl. Abb. 1.9).
Darüber hinaus wurden im zentralen
Netzteil auch kleinere coseismische
Einflüsse registriert.
Weitere zeitliche Änderungen konnten
im Deformationsfeld außerhalb
des SAGA-Nord- Gebietes entdeckt
werden. Insgesamt wurde
aber die hohe inter-seismische
Kompression bestätigt. Die SAGA-
99-Kampagne erfolgte im nördlichen
Netzteil im November 1999,
d.h. 4 Jahre und 3 Monate nach
dem Mw=8,0-Antofagasta Beben.
Die Ergebnisse sind in Abb. 1.10
dargestellt und zeigen deutlich,
dass der post-seismische Einfluss
hier nach 4 Jahren aber nur noch
sehr gering ist. Im Gegensatz dazu
ist ein post-seismischer Effekt im Bereich des 1960
Chile-Bebens noch nach 40 Jahren deutlich ausgeprägt.
Daher wurde das SAGA-Netz im Jahre 2000
verdichtet, um die andauernde postseismische Deformation
mit einer besseren räumlichen Auflösung zu
erfassen.
Die numerischen Modellierungen der gemessenen
Oberflächendeformationen konzentrierten sich
zunächst auf Untersuchungen im Zusammenhang mit
dem Erdbebenzyklus. Die eingesetzten elastischen
Dislokationsmodelle zeigen, dass die heutige
Deformation im zentralen Bereich des Netzes durch
eine 100%ige Kopplung des seismogenen Interface
zu erklären ist. Die geschätzte Tiefe der Kopplung ist
entlang des Streichens der Anden nicht gleichförmig:
nördlich von 30° S beträgt sie ca. 33 km, während sie
südlich von 35° S etwa 50 km erreicht (vgl. Abb.
1.9). Mit Hilfe weiterer neu eingerichteter Punkte
entlang der chilenischen Küste soll die Nord-Süd-
Variation der Kopplung genauer erfasst und auch
eine mögliche zeitliche Änderung der Kopplung
aufgedeckt werden.

Abb. 1.10: Die roten Vektoren zeigen die gemessenen Punktverschiebungen zwischen 1993 und 1995. Sie beinhalten
im Wesentlichen co-seismische Deformationen, enthalten aber ebenfalls inter-seismische und post-seismische
Deformationen sowie eventuelle pre-seismische und säkulare Signale. Die blauen Vektoren stellen die
Verschiebungen zwischen 1997 und 1999 dar. Hier dominiert der inter-seismische Einfluss; das post-seismische
Signal ist nur noch gering.
Red vectors are the observed displacements of GPS-sites between 1993 and 1995. They mainly show coseismic strain
release due to the 1995 Mw=8,0 Antofagasta earthquake but include interseismic and postseismic deformation as
well. Blue vectors depict the displacements between 1997 and 1999. Here, the interseismic signal dominates the
deformation field whereas the postseismic signal is rather weak.
Die gemessenen post-seismischen Deformationen
bieten eine ausgezeichnete Datenbasis, mit deren Hilfe
Parameter numerischer Modelle der Subduktionsorogenese
festgelegt werden können. Ein wesentlicher
Steuerfaktor ist die Viskosität des oberen Mantels und
der unteren Kruste. Bei bekannter Viskosität als
Funktion der Tiefe und des Ortes könnten entscheidende
Fragen beantwortet werden wie z. B.: Was kontrolliert
die Lokalisierung und Übertragung der
Deformation in der Oberplatte? Wie funktioniert die
Spannungsübertragung vom Trench zum Kraton? Wird
Spannung und Deformation durch den lithosphärischen
Mantel übertragen? Ist die untere Kruste
ein Spannungsleiter?
Post-seismische Bewegungen konzentrieren sich im
tiefesten Krustenbereich, an dem elastischer Strain
akkumuliert wird. Die resultierenden Oberflächen-
deformationen können durch zwei Modelle erklärt
werden: 1. Eine verzögerte Verschiebung entlang der
co-seismischen Störungsfläche und 2. viskoelastische
Ausgleichsvorgänge im duktilen Bereich unterhalb der
Zone, in dem der Bruch stattfand. Die gemessenen
postseismischen Deformationen des Antofagasta- und
Chile-Bebens konnten bereits durch den ersten
Mechanismus vollständig erklärt werden. Allerdings
ergaben sich dabei sehr hohe Verschiebungswerte in
der unteren Verlängerung der seismogenen Zone und
entgegengesetzte Verschiebungen an deren oberen
Ende. Das Modell der verzögerten Verschiebung muss
demnach mit einem viskoelastischen Finite-Element-
Modell ergänzt werden. Die vorliegenden geodätische
Daten bieten erstmalig die Möglichkeit, zwischen den
o.g. Mechanismen zu unterscheiden und die Viskosität
des oberen Mantels und der unteren Kruste unabhängig
von bisherigen Modellen abzuschätzen.
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Die Strategiefondsprojekte GASP und SEAL
Der Aufgabenbereich 1 leitet zwei HGF-Strategiefondsprogramme
federführend: GASP (Laufzeit 1999-2002)
und SEAL (Laufzeit 2000-2003).
GASP - GPS Atmosphere Sounding Project
In jüngster Zeit hat das satellitengestützte Navigationssystem
GPS sein hohes Nutzungspotential für die
Fernerkundung der Atmosphäre eindrucksvoll demonstriert.
Die sowohl in existierenden weltweiten GPS-
Bodenstationsnetzen als auch an Bord niedrigfliegender
Satelliten empfangenen GPS-Radiosignale enthalten in
Folge ihrer Wechselwirkung mit dem Ausbreitungsmedium
Informationen über fundamentale atmosphärische
Parameter wie Druck, Temperatur, Wasserdampfgehalt
in Troposphäre und Stratosphäre und die
Elektronendichte in der Ionosphäre.
Abb. 1.11: GASP-Logo.
Das GASP-Strategiefondsprojekt, das
vom GFZ zusammen mit AWI, DLR
und GKSS initiiert wurde, bündelt die
Expertise von GPS-Spezialisten, Klimaexperten
und Meteorologen. Es
wird mit dem Deutschen Wetterdienst
und dem Max-Planck-Institut für
Meteorologie und einer großen Zahl
weiterer universitärer Partner realisiert.
Mit diesem Projekt soll in Deutschland
eine Infrastruktur für die meteorologische
Anwendung von GPS aufgebaut
werden. So soll vor allem eine quasioperationelle
Schätzung von troposphärischen
und stratosphärischen
Parametern realisiert und Verfahren zur
Assimilation von GPS-Produkten in
existierende regionale und globale
Modelle für Klimauntersuchungen und
zur numerischen Wettervorhersage
entwickelt werden. Der systematischen
Validierung von GPS-Produkten wird
breiter Raum gegeben. Das in zwei
Teilprojekte untergliederte Gesamtprojekt
entwickelt sich sehr erfolgreich
und es ist abzusehen, dass die anvisierten
Projektziele voll erreicht werden
können.
Im Teilprojekt 1 von GASP ist der Aufbau und Betrieb
eines Systems zur operationellen, kontinuierlichen
Bestimmung des atmosphärischen Wasserdampfes in
einem dicht und gut verteilten Netz von GPS-
Bodenstationen in Deutschland das Hauptziel. Dessen
Produkte sollen an den Wetterdienst weitergeleitet werden
und sowohl in der numerischen Wettervorhersage
wie auch in der Klimaforschung ihren Einsatz finden.
Momentan befindet sich das Teilprojekt 1 in einer
Pilotkampagnenphase mit dem Deutschen Wetterdienst
(DWD). Aus einem deutschlandweiten GPS-Netz von
etwa 100 Stationen (Abb. 1.12) – davon etwa 75
Stationen des SAPOS-Netzes der deutschen Landesvermessungen
und 22 GPS-Stationen des GFZ auf DWD-
Wetterstationen - stehen wenige Minuten nach
Beobachtung alle Daten am GFZ Potsdam für die weiteren
Berechnungen von Satellitenbahnen und sog. integriertem
Wasserdampf über jeder Station zur Verfügung.
Maximal nach 45 Minuten müssen die Wasserdampfprodukte
an den DWD geliefert werden. Seit Mai 2001
wird in einer Pilotuntersuchung der vom GFZ bestimmte
integrierte Wasserdampf vom DWD mit einiger
Zeitverzögerung in deren Kurzfrist-Vorhersagemodelle
assimiliert. Die bisherigen Ergebnisse sind zufriedenstellend.
Für Anfang 2002 ist vorgesehen, in eine präoperationelle
Phase für die GPS-integrierte Kurzfristwettervorhersage
einzutreten.
Abb. 1.12: GASP Near Real Time Netz (• mögliche, aber
bisher nicht benutzte SAPOS-Stationen)
GASP Near Real Time network (• existing but not yet
used stations of the SAPOS network)

Abb. 1.13: Mit GPS abgeleitete Wasserdampfverteilung über
Deutschland
GPS derived water vapor distribution over Germany
Im Teilprojekt 2 von GASP werden GPS-basierte Limb-
Sondierungen der Erdatmosphäre vom CHAMP-
Satelliten aus genutzt (zum Verfahren der Limb-
Sondierungen siehe auch CHAMP-Bericht, S. 1 dieses
Bandes).
GPS-Signale haben Wellenlängen im
Bereich von 20 cm und werden deshalb
kaum von Wassertröpfchen oder
Eiskristallen beeinflusst. GPS-basierte
Radiookkultationsmessungen stellen also
ein wetterunabhängiges Messverfahren für
Druck, Temperatur oder Feuchte dar. Dank
der Limb-Geometrie bieten sie im
Vergleich zu den üblichen Nadir-
Messungen operationeller Wettersatelliten
eine wesentlich höhere vertikale
Auflösung. Ist wie bei der CHAMP-
Mission die Infrastruktur am Boden gut
ausgebaut, können mit einem einzigen
Satelliten zwischen 200 und 250
Okkultationen pro Tag aufgenommen werden
und zwar auch über bislang datenarmen
Regionen der Erde. Damit stellen
Radiookkultationen eine wichtige Ergänzung
zu den vorhandenen meteorologischen
Beobachtungssystemen, wie dem
globalen Radiosondennetz, dar.
In den ersten sieben Monaten seit Beginn
der ersten Limb-Sondierungsmessungen
auf CHAMP im Februar 2001 sind über
20.000 Okkultationsereignisse beobachtet
und ausgewertet worden. Bereits die ersten
Profile zeigten eine gute Übereinstimmung
mit meteorologischen Analysen. Im
Rahmen des GASP-Vorhabens arbeiten
das Max-Planck-Institut für Meteorologie
und der Deutsche Wetterdienst intensiv an Verfahren
zum Einsatz von Radiookkultationsdaten bei der
Datenassimilation numerischer Wettervorhersagemodelle.
Auf Grund der Verbesserungen der Datendichte
über den Ozeanen und in der Stratosphäre werden hier
Abb. 1.14: Aktuelle CHAMP-Okkultationsereignisse im Zeitraum 5.-9. März 2001 (keine kontinuierliche Messreihe)
Current CHAMP radio occultation events in the period March 5-9, 2001
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vor allem Verbesserungen bei der Mittelfristvorhersage
erwartet. Für einzelne Ereignisse mögen sich aber auch
bei der Kurzfristvorhersage positive Effekte nachweisen
lassen, etwa wenn während der Entwicklung
extremer Wetterereignisse Okkultationen zum richtigen
Zeitpunkt an der richtigen Stelle stattfinden. So werden
nicht nur amerikanische Satellitenkonstellationen wie
COSMIC, sondern auch die zukünftigen europäischen
polarumlaufenden Wettersatelliten METOP, GPS-
Empfänger zur Durchführung von Radiookkultationsmessungen
tragen.
Darüber hinaus gibt es eine Reihe wissenschaftlicher
Fragestellungen, zu denen die CHAMP-Daten wertvolle
Beiträge liefern dürften. Hierzu zählen zum einen die
besonders gut aufgelösten Temperaturmessungen in der
Tropopause. Diese Messungen werden bei der
Untersuchung der bislang nur unvollständig verstandenen
dynamischen Prozesse, die zur starken
Austrocknung der Luft in der oberen tropischen
Troposphäre führen, sehr hilfreich sein.
Aber auch die troposphärischen Wasserdampfmessungen
von CHAMP werden – trotz der größeren
Ungenauigkeiten bei der Ableitung des Wasserdampfgehaltes
aus Radiookkultationsmessungen – interessante
Beiträge zur Klimaforschung liefern können. Die
Verteilung der relativen Feuchte im 500-hPa-Niveau
(etwa 5 km Höhe), wie sie CHAMP zwischen Mitte Mai
und Mitte Juni 2001 gesehen hat, zeigt deutlich die
feuchten Bereiche der Innertropischen Konvergenzzone
(Inner Tropical Convergence Zone, ITCZ), in denen die
hochreichende tropische Konvektion stattfindet. Zum
anderen sind die besonders trockenen Regionen in den
Absinkregionen der ITCZ ebenfalls deutlich erkennbar.
Diese Regionen, die für den langwelligen
Strahlungshaushalt der Erde und damit für das globale
Klima entscheidend sind, liegen größtenteils über
Ozeanen und wurden deshalb bisher nur sehr unvollständig
beobachtet. CHAMP und die nachfolgenden
Radiookkultationsmissionen werden erstmals die kontinuierliche
Beobachtung dieser "Wüsten über den
Ozeanen" ermöglichen.
Abb. 1.15: Relative Feuchte auf dem 500-hPa-Niveau (etwa 5 km Höhe) zwischen dem 14. Mai und dem 10. Juni
2001, basierend auf CHAMP-Messungen. Beachtenswert sind die starken Unterschiede zwischen der feuchten, durch
tropische Konvektion charakterisierten innertropischen Konvergenzzone und den extrem trockenen Absinkregionen
über den subtropischen Ozeanen. Auch der asiatische Monsun wird von den CHAMP-Messungen erfasst.
Relative humidity at the 500 hPa level (ca. 5 km altitude) between May 14 and June 10, 2001, based on CHAMP
measurements. Note the pronounced difference between the moist regions of the inner-tropical convergence zone,
characterized by deep tropical convection, and the dry subsidence areas above the subtropical oceans. The Asian
monsoon is also well represented in the CHAMP measurements.

SEAL - Sea Level Change
Es ist allgemein anerkannt, dass Klimaschwankungen
zu Variationen des Meeresspiegels führen. Diese sind
ein natürliches Phänomen und traten im Laufe der
Erdgeschichte immer wieder auf. Jedoch ist bisher nicht
vollständig geklärt, bis zu welchem Grad Klima- und
Meeresspiegeländerungen im System Erde gekoppelt
sind.
Mit der zunehmenden Vulnerabilität der Gesellschaft
rücken die anthropogenen Einflüsse, die zu Änderungen
des mittleren Meeresspiegels führen können, in den
Mittelpunkt des Forschungsinteresses. Die Abtrennung
von den natürlichen Ursachen ist nicht trivial und
erfordert ein genaues Verständnis der komplex
ablaufenden Prozesse im gekoppelten System Ozean-
Eis-Land-Atmosphäre.
In dem vom GFZ Potsdam geleiteten und im November
2000 gestarteten Projekt SEAL wird eine integrierte
Strategie zur Quantifizierung des Meeresspiegels auf
unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen verfolgt. Sie
basiert auf neuen Beobachtungstechniken und hochauflösenden
Modellen der das gekoppelte System
Atmosphäre-Ozean-Eis-Erde kontrollierenden Prozesse.
Das Projekt nutzt die spezifischen Expertisen der
kooperierenden Helmholtz-Zentren AWI, GFZ und
GKSS und beinhaltet folgende Aufgaben.
Teilprojekt A: Beobachtung und Kalibrierung (GFZ).
Die genaue Bestimmung des Meeresspiegels basiert auf
einer Kombination von Satelliten- und Bodentechniken.
Der Schwerpunkt liegt auf der Multi-Missions-
Altimetrie unter Einfluss verbesserter Schwerefeldmodellierung
mit CHAMP und GRACE, wobei das Ziel
die Erstellung homogener, bis 1985 zurückreichender
Zeitreihen ist. Grundlegende Erfordernisse sind die
Entwicklung einheitlicher, auf neuen GPS-Bojen
basierende Kalibrationsverfahren und die Verwendung
eines hochgenauen, auf aktuellen Satellitenmissionen
basierenden Schwerefeldmodells und Bezugssystems.
Zur weiteren Kontrolle werden mit GPS ausgerüstete
Gezeitenpegel einbezogen.
Teilprojekt B: Eismassenübertragung (AWI).
Für langfristige Vorhersagen des Meeresspiegels sind
zuverlässige Abschätzungen der Massenbilanz des
Grönländischen und Antarktischen Eisschildes erforderlich.
Dazu sind Feldkampagnen für ausgewählte
Entwässerungsbecken geplant, die die Bestimmung der
lokalen Massenbilanz und weiterer Parameter gestatten.
Kombiniert mit verbesserten atmosphärischen Randbedingungen
dienen diese Parameter als Input für
hochauflösende dynamische Eisschild-Modelle. Auf
kürzeren Zeitskalen dominiert die Massenbilanz von
Gebirgsgletschern. Ihr Beitrag während der Periode
1860 bis 2100 wird in einer ergänzenden Untersuchung
ermittelt.
Teilprojekt C: Ozean-Modellierung (AWI, GKSS).
Die neuen Beobachtungstechniken zur Überwachung
des Meeresspiegels werden durch dynamische
Ozeanmodelle ergänzt. Zur Verbesserung der
numerischen Effizienz wird eine Hierarchie von globalen,
Einzelbecken- und regionalen Modellen verwendet.
Die Untersuchung benutzt von Altimetrie- und
Schwerefeld-Satellitenmissionen bereitgestellte Daten
und berücksichtigt den durch Massenbilanzstudien
ermittelten Süßwasserzufluss aus Grönland. Neu
entwickelte Datenanpassungstechniken und Beobachtungsmodelle
verbinden die dynamischen Modelle mit
den Gezeitenpegelaufzeichnungen.
Teilprojekt D: Glaziale Isostasie (GFZ).
Da die GPS-Überwachung von Gezeitenpegeln sowohl
selten als auch neu ist, wird eine Berechnung ihrer
Vertikalbewegungen als Folge glazialisostatischer
Anpassung erforderlich. Zu diesem Zweck wird ein
verbessertes dynamisches Modell der pleistozänen
Eisschilde entwickelt und mit einem neuen Erdmodell
mit lateral heterogener Viskosität gekoppelt. Unter
Verwendung von Paläostrandlinien-Daten und neuer
satelliten- und bodengestützter geodätischer Messdaten
liefert das gekoppelte Modell eine verbesserte
Abschätzung der Viskositätsverteilung, die in die
Berechnungen der Vertikalbewegung von Gezeitenpegeln
eingeht.
Über die bisherigen Arbeiten zum Teilprojekt D wird
später in diesem Kapitel unter dem Thema
"Auswirkungen von Eis und Wasserlasten auf Erdfigur,
Deformations- und Schwerefeld" (S. 174) berichtet.
Das Teilprojekt A nutzt die zwei bedeutendsten
Beobachtungsverfahren zur Quantifizierung von
Meeresspiegeländerungen. Es sind dies Gezeitenpegel
und Satellitenaltimetrie. Pegel haben zwei Einschränkungen:
sie sind überwiegend an Küsten und in Häfen
installiert und sie messen nur relative Änderungen zwischen
Meeresoberfläche und Land. Bei der
Satellitenaltimetrie gibt es verschieden Verfahren: die
Laseraltimetrie, die allwettertaugliche Radaraltimetrie
und, wahrscheinlich in einigen Jahren, die GNSS-
Altimetrie (GNSS = Global Navigation Satellite
System). Bei all diesen Verfahren wird die Laufzeit
eines von der Meeresoberfläche zurückgestreuten
Signals zur Abstandmessung genutzt.
Die Satellitenradaraltimetrie (RA) ist das derzeit am
häufigsten genutzte Fernerkundungsinstrument, um den
instantanen oder mittleren Meeresspiegel auf verschiedenen
räumlichen und zeitlichen Skalen absolut zu
erfassen (Abb. 1.17). Bei der RA wird aus der Laufzeit
eines in Nadirrichtung ausgesendeten Radarimpulses
und der Satellitenhöhe die Höhe des Meeresspiegels
bestimmt. Die Anfänge der RA reichen zurück bis 1973.
Nutzbar für genaue Meeresspiegeluntersuchungen sind
jedoch erst Daten von den Altimetersatelliten GEOSAT,
157

158
ERS-1, TOPEX/Poseidon, ERS-2 und GFO-1. Die drei
letztgenannten Missionen sind derzeit noch aktiv. Zum
Beginn des Jahres 2002 werden zwei neue Satelliten mit
RA gestartet, der europäische ENVISAT und der französisch-amerikanische
Jason-1-Satellit.
Abb. 1.16: SEAL-Logo und Broschüre
SEAL logo and brochure
Abb. 1.17: Die Abbildungen stellen
Abweichungen der momentanen von
einer mittleren Meeresoberfläche dar.
Durch die Temperaturerhöhung des
Ozeans aufgrund eines El Niño-
Ereignisses dehnt sich das Wasser aus,
und die hier in rot und gelb dargestellten
Bereiche liegen erhöht gegenüber
der mittleren Meeresoberfläche in
diesem Gebiet. Die Bilder wurden aus
Altimetrie–Daten (Satellit ERS-2)
generiert. Die Abbildung zeigt eine
Sequenz von Meereshöhen, die am
GFZ standardmäßig generiert werden,
im Zeitraum Februar 1996 bis Februar
2001. In der mittleren Spalte (08/97,
01/98, 05/98, 10/98) zeigt sich der Aufund
Abbau des El Niño-Ereignisses.
The images show deviations of the current
from the mean sea level. Here, an
El Niño event is increasing the ocean’s
temperature, the water extends (the red
and yellow colours indicate a sea level
above mean sea level). The images
were routinely generated at GFZ from
altimetry data (ERS-2 satellite). The
picture shows a sequence of sea level
heights generated from February 1996
to February 2001. In the middle column
(08/97, 01/98, 05/98, 10/98) the
El Niño formation and retrogression is
visible.

Abb. 1.18: Aktuelle Satellitenmissionen zur Erdbeobachtung; oben Altimetermissionen für die Bestimmung von
Meeresspiegeländerungen
Current satellite missions for Earth observation; top: altimetry missions for sea level change determination
Die lange Serie von verschiedenen RA-Missionen führte
schnell zu dem Schluss, dass sich damit auch
entsprechend lange Zeitserien für die Änderungen des
Meeresspiegels konstruieren lassen. Aber schon die
unterschiedlichen Genauigkeiten der einzelnen
Altimetriemissionen zeigen die Schwierigkeiten auf.
Weiterhin problematisch sind die zeitlichen Lücken
zwischen einzelnen Missionen, die Verwendung unterschiedlicher
Korrekturmodelle für die Messung und
instrumententechnisch bedingte Offsets zwischen den
RA-Missionen. In den letzten Jahren wurden zudem
durch die Alterung der Satellitenelektronik bedingtes
Driften und Sprünge durch elektronische Schaltvorgänge
im Satelliten erkannt.
Im Mittelpunkt der Arbeiten im SEAL-Teilprojekt A stehen
deshalb Verfahren, die eine langfristige
Überwachung der Stabilität der RA-Messungen
erlauben. Zur Vereinheitlichung der Prozessierung
wurde in SEAL ein Multi-Missions-Altimeter-Daten-
System (ADS) entwickelt. Die damit verbunden
Datenbank ist mit sämtlich verfügbaren Daten der
Missionen GEOSAT, ERS-1, ERS-2 und TOPEX gefüllt
worden und stellt nun die Grundlage für weitere
Analysen und hier insbesondere die Bestimmung des
Meeresspiegels dar. Eine Vielzahl von Modellen für
Gezeiten, Troposphäre und Ionosphäre wurde implementiert
und untereinander verglichen. Solche Analysen
sind notwendig, um die geeigneten Korrekturmodelle
für eine bevorstehende homogene Re-Prozessierung zu
bestimmen. ADS erlaubt es Nutzern von Altimetrie-
Daten, eigene Kompositionen von Daten und
Korrekturen zu wählen, die danach automatisiert vom
Prozessierungssystem generiert werden. Die Auswahlprozesse
für Daten und Programme sind Web-basiert
und erlauben somit jedem Nutzer, ohne weitere
Kenntnisse ADS zu verwenden.
Wesentliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung
der Meeresspiegelschwankungen sind die
Präzisionsbahnbestimmung der in die Analyse eingehenden
Altimetersatelliten und eine einheitliche
Nutzung von dynamischen, geometrischen und
Instrumentenkorrektur-Modellen. Für SEAL gewinnen
hier die ersten genauen CHAMP-Schwerefeldmodelle,
der Wechsel auf das genaue terrestrische Referenzsystem
ITRF2000 und verbesserte Intrumentenkorrekturen
eine ganz entscheidende Bedeutung.
In den letzten Jahren gewinnt die interdisziplinäre
Nutzung von Pegelmessungen zunehmend an
Bedeutung. Mit der zunehmenden Verbreitung von GPS
zur Positionierung werden immer mehr Pegel in ein
übergeordnetes Koordinatensystem eingebunden und an
einer wachsenden Zahl von Pegeln werden zunehmend
kontinuierliche GPS-Messungen zur Überwachung
durchgeführt. Damit ist es möglich, die relativen
Pegelmessungen in absolute Meeresspiegeländerungen
umzurechnen. Erst damit gelingt die Trennung von
Landbewegungen und Änderungen im Wasseräquivalent.
Genutzt werden diese Ergebnisse zweifach. Zum
einen können RA-Satelliten kontinuierlich überwacht
werden, andererseits sind absolute Meeresspiegeländerungen
hinsichtlich Klimavariationen interpretierbar.
Problematisch ist die Ableitung der absoluten
Höhenänderung der Pegel, d.h. die Erfassung etwaiger
Landbewegungen. Um verlässliche Korrekturen für die
Pegelmessungen ableiten zu können, sind kontinuierliche
Überwachungen notwendig. Diese sind nur mit
GPS zu realisieren und werden nur an wenigen ausgewählten
Punkten durchgeführt. In größerem Umfang
ist GPS erst seit Anfang der 90er Jahre verfügbar, wobei
erst in den letzten Jahren eine signifikante Anzahl von
159

160
Pegeln mit GPS ausgerüstet wurde. Obwohl die der
GPS-Auswertung zugrunde liegenden Modelle ständig
verbessert wurden, sind die abgeleiteten Höhenänderungen
derzeit noch zu ungenau, um verlässlich für
Meeresspiegeluntersuchungen genutzt zu werden.
Führend bei der Auswertung und Analyse von GPS-
Messungen ist der International GPS Service (IGS). Im
IGS zusammengeschlossene Analysezentren werten
täglich eine große Anzahl von weltweiten kontinuierlichen
GPS-Messungen aus und stellen wöchentliche
Kombinationslösungen der Koordinaten zur Verfügung.
Diese werden z. B. bei der Ableitung von geodätischen
Referenzsystemen, wie dem International Terrestrial
Reference Frame (ITRF) genutzt. Ein Vergleich der
Höhenänderungen von GPS-Punkten aus den
Wochenlösungen der einzelnen Analysezentren zeigt
aber deutliche Unterschiede (Abb. 1.19). Zum einen
sind die Bewegungen von einem "Jahresgang"
überlagert, zum anderen enthalten die Lösungen aber
auch Abweichungen unbekannter Ursache. Die
Analysezentren liefern daher teils konträre Ergebnisse
für die Höhenkomponenten. Um die notwendigen wissenschaftlichen
Untersuchungen zur verbesserten
Ableitung der Höhenkomponente auf eine breite Basis
zu stellen, wurde vom IGS unter Leitung des GFZ eine
Pilotstudie initiiert (TIGA – Tide Gauge Benchmark
Monitoring Pilot Project). In diesem Rahmen werden
mit GPS ausgerüstete Pegel neu prozessiert und unter
verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet. Das GFZ
ist im Rahmen von SEAL hieran beteiligt. Im Ergebnis
dieser Pilotstudie (2001-2004) wird erwartet, dass dann
die Genauigkeit der Höhenkomponenten den
Anforderungen zur Untersuchung des Meeresspiegels
genügt.
Ein Nachteil von Pegelmessungen zur Ableitung globaler
Meeresspiegeländerungen ist ihre Küstennähe.
Zudem ist die Mehrzahl aller Pegelmessungen auf
Europa oder Nordamerika konzentriert und gibt daher
nur einen begrenzten Ausschnitt möglicher Variationen
des Meeresspiegels wieder. Ziel für die Überwachung
der RA ist es, die Kalibrationsmessungen direkt im
Fußpunkt des Satelliten durchzuführen. Weltweit gibt es
nur eine mit GPS und Pegeln ausgerüstete Station
(Harvest Oil Platform), die direkt von einem
Altimetersatelliten (TOPEX/Poseidon) überflogen wird.
An allen anderen Pegeln müssen die instantanen
Meeresspiegelhöhen für die Fußpunkte des RA
interpoliert werden, was zu einer deutlichen
Verschlechterung der gewünschten Kalibrierung führt.
Abb. 1.19: Modelliertes Bewegungsverhalten von GPS-Stationen verschiedener IGS-Wochenlösungen.
Comparison of weekly GPS solutions for two IGS stations.

Abb. 1.20: GPS-Hochseeboje des GFZ zur langfristigen
Kalibrierung von Altimetern
GPS offshore buoy of GFZ for long-term calibration of
altimeters
Am GFZ wird derzeit im Rahmen von SEAL eine
hochseetaugliche Boje gebaut, die mit GPS und verschiedenen
Umweltsensoren ausgerüstet ist (Abb. 1.20).
Diese wird im Frühjahr 2002 in der Nordsee an einem
Punkt etwa 40 km westlich der Insel Sylt verankert, an
dem sich die Bodenspuren der drei aktuellen RA-
Missionen und auch ihrer Nachfolger kreuzen. Solche
günstig gelegenen Kreuzungspunkte sind selten,
vielfach ist der Abstand zum Land viel zu groß, um eine
kostengünstige Datenübertragung zu realisieren. Aus
den GPS-Messungen zum Überflugszeitpunkt des RA-
Satelliten kann die Höhe der instantanen Meeresoberfläche
sehr genau bestimmt werden. Da die Bahnbestimmung
des Satelliten ebenfalls im Koordinatensystem
von GPS erfolgt, können beide Messungen verglichen
werden. Aus jedem weiteren Überflug, der je
nach Satellit zwischen 10 und 35 Tagen erfolgt, ergibt
sich eine Serie von Vergleichsmessungen. Aus diesen
können absolut Höhenfehler abgeleitet sowie Driften
detektiert werden.
Die LEO-Missionen CHAMP und GRACE
Der Schwerpunkt der Arbeiten des Aufgabenbereiches 1
lag im Berichtszeitraum ohne Frage bei der
Vorbereitung der "Low Earth Orbiter" (LEO) –
Missionen CHAMP und GRACE und nach erfolgreichem
CHAMP-Start bei der Inbetriebnahme, der
Kalibration und Validation aller Satellitensysteme, der
Wissenschaftsinstrumente und aller Komponenten des
Bodensegments.
Abb. 1.21: CHAMP- und GRACE-Aufkleber
CHAMP and GRACE sticker
CHAMP-Mission
Über die wissenschaftlichen Ziele, die Geräteausstattung
und erste Ergebnisse der CHAMP-Mission
wird im Eingangsteil dieses Zweijahresberichtes ausführlich
berichtet. Zu ergänzen sind einige
Ausführungen zur Einbeziehung der internationalen
Wissenschaftlergruppen in die CHAMP-Datennutzung.
Im April 2001 konnte die 9-monatige
CHAMP-Kalibrations-/Validationsphase für alle
Geräte, mit Ausnahme des GPS-Okkultationssenders,
abgeschlossen werden. Die aus CHAMP-Daten erhaltenen
ersten Ergebnisse für Schwerefeld und Magnetfeld
161

162
und für die atmosphärischen und ionosphärischen
Okkultationen haben die aus Simulationen abgeleiteten
hohen Erwartungen in die Mission bestätigt. Ende Mai
wurde daraufhin ein CHAMP-"Announcement of
Opportunity" weltweit verteilt und bis Mitte Juli 2001
um Einsendung von Vorschlägen für die drei
Themengebiete "Bahnbestimmung und Schwerefeld",
"Magnetfeld und elektrisches Feld" sowie "Atmosphärische
und ionosphärische Okkultationen" gebeten.
Der Rückfluss an zum überwiegenden Teil sehr guten
Vorschlägen war beeindruckend: 113 Vorschläge von
Wissenschaftlergruppen aus 24 verschiedenen Ländern
wurden eingereicht. Die meisten Vorschläge kamen von
US-Wissenschaftlergruppen (29), am zweitstärksten
vertreten war Deutschland mit 28 Vorschlägen. Ein
größerer Teil der deutschen Vorschläge ist eingebunden
in ein DFG-Bündelvorhaben. Nach Begutachtung durch
die CHAMP Science Advisory Group wurde entschieden,
alle eingereichten Vorschläge mit den erwüschten
Daten und Datenprodukten zu bedienen. Für
alle im CHAMP Information System und Data Center
(CHAMP-ISDC) registrierten Nutzer stehen damit alle
erwünschten wissenschaftlichen CHAMP-Daten seit 15.
Mai 2001 zur Verfügung. Abbildung 1.22 gibt die
Aufteilung der Vorschläge auf die verschiedenen
Wissenschaftsfelder wieder. In der Zeit 22.-25. Januar
2002, zum Beginn des Jahres der Geowissenschaften,
wird das erste CHAMP Science User Meeting am GFZ
stattfinden. Präsentationen und Publikationen der nächsten
Zukunft werden die große Bedeutung von CHAMP
für die Geo- und Atmosphärenforschung deutlich
machen.
Abb. 1.22: Eingegangene
Vorschläge zum CHAMP
Announcement of Opportunity
Received CHAMP Announcement
of Opportunity proposals
Abb. 1.23: Bodensegment
der GRACE-Mission
Ground segment of the
GRACE Mission

GRACE Mission
GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) ist
eine amerikanisch-deutsche Satellitenmission zur
hochgenauen Bestimmung der Zeitvariabilität des
Schwerefeldes der Erde und zur Sondierung der
Atmosphäre und Ionosphäre mittels zweier in 500 km
Höhe und im Abstand von etwa 220 km fliegender
Satelliten. Die GRACE-Mission wurde im Rahmen
eines Announcement of Opportunity zum NASA Earth
System Science Pathfinder (ESSP) Programm gemeinsam
von der University of Texas at Austin, Center for
Space Research (UTCSR), dem Jet Propulsion
Laboratory (JPL) in Pasadena und dem GeoForschungsZentrum
Potsdam im Sommer 1996 vorgeschlagen
und im März 1997 aus einer Anzahl von
Projektvorschlägen ausgewählt. Die hochgenaue
Bestimmung des zeitvariablen Anteils des Erdschwerefeldes
beruht auf der präzisen Messung der
Abstandsänderung (≤ 5 µm) beider Satelliten, der
Berechnung der Position und der Geschwindigkeit der
Satelliten mittels eines 23-Kanal-Zweifrequenz-GPS-
Bordempfängers und der Bestimmung der nicht-gravitativen
Störbeschleunigungen mittels eines dreiachsigen
Hochpräzisions-Akzelerometers. Die Sondierung der
Atmosphäre und der Ionosphäre erfolgt durch zusätzliche
GPS-Beobachtungen mit vor- und rückwärts
gerichteten Antennen.
Abb. 1.24: Die beiden von Astrium GmbH gebauten
GRACE-Satelliten (Foto: Astrium GmbH)
The two GRACE satellites manufactured by Astrium
GmbH
Die GRACE-Mission durchlief im Berichtszeitraum die
Phase C/D. Dies beinhaltete die Entwicklung, den Bau
und den Test der verschiedenen Instrumente (GPS-
Empfänger, Super-STAR-Akzelerometer, K-Band-
Entfernungsmesssystem, Sternsensoren) und der beiden
Satelliten durch das Jet Propulsion Laboratory in
Pasadena bzw. durch die Astrium GmbH in
Friedrichshafen. Die Integration der Messinstrumente in
die Satelliten erfolgte zwischen Oktober 2000 und März
2001 bei Astrium. Die Umwelttests der beiden GRACE-
Satelliten wurden in den darauffolgenden Monaten, wie
im Falle von CHAMP, bei der IABG in Ottobrunn
durchgeführt. Nach dem abschließenden Preship
Review, das Anfang Dezember in San Diego stattfindet,
werden die Satelliten Ende Januar 2002 zum Startplatz
in Plesetsk in Russland transportiert. Nach der
Integration der Satelliten in die ROCKOT-Rakete, die
durch das DLR zur Mission beigestellt wird, ist der Start
in eine kreisförmige, polnahe Bahn (Inklination 89°) mit
einer Anfangshöhe von 500 km im März 2002 vorgesehen.
In der Phase C/D wurden weiterhin verschiedene
Systeme aufgebaut, die den späteren Betrieb der
Satelliten (Mission Operation System, MOS), die
Gewinnung von Laser-Entfernungsmessungen (Laser
Tracking System, LTS) zu beiden Satelliten und die
Auswertung der Instrumentendaten (Science Data
System, SDS) durchführen. An den letzten beiden
Systemen ist das GFZ wesentlich beteiligt. Die
Koordination dieser Arbeiten erfolgt von einem
DLR/GFZ Projektbüro in Oberpfaffenhofen. Die
Arbeiten zum SDS beinhalten die Berechnung der kalibrierten
und validierten Level-1-Instrumentendaten aus
Level-0 Rohdaten, die regelmäßig am Raw Data Center
in Neustrelitz bereitgestellt werden,
durch das JPL und durch das GFZ in
Backup-Funktion. Dazu wurde die von
JPL entwickelte Software am GFZ
implementiert. Aus diesen Level-1-
Daten berechnet das GFZ gemeinsam
mit der Universität von Texas in Austin
präzise Satellitenbahnen und monatliche
mittlere Schwerefelder (Level-2-
Produkte). Um den Einfluss der zeitvariablen
Massenverlagerungen durch
Atmosphäre und Ozeane auf die
Schwerefeldergebnisse zu berücksichtigen,
berechnet das GFZ im
6-stündigen Rhythmus entsprechende
Korrekturkoeffizienten, die auf
ECMWF- (European Center for Medium-range
Weather Forecast) Atmosphärendaten
beruhen. Alle Produkte
werden neben dem amerikanischen
PODAAC bei JPL im GRACE-ISDC
des GFZ den europäischen Nutzern zur
Verfügung gestellt. Der Stand der
Arbeiten wurde im November 2001
beim SDS Readiness Review in Austin
vorgestellt.
163

164
Für das Laser-Tracking-Ssytsem (LTS) hat das GFZ zu
CHAMP baugleiche Laser-Retro-Reflektoren zu den
Instrumenten beigestellt. Die am GFZ existierende
Bahnvorhersagesoftware wurde während der laufenden
CHAMP-Mission weiter optimiert und steht damit auch
für GRACE zur Verfügung. Mit der Erstellung eines
Konzepts für die internationalen Laser-Stationen zur
optimalen Gewinnung von Laser-Entfernungsmessungen
von beiden GRACE-Satelliten wurde begonnen.
Die Arbeiten des Mission Operation Center (MOS)
basieren wesentlich auf den Erfahrungen, die mit der
CHAMP-Mission gewonnen werden konnten. Am Ende
des Berichtszeitraumes standen im Wesentlichen die
drei integrierten Systemtests an, die im Rahmen der
Umwelttests bei der IABG erfolgreich durchgeführt
wurden und zur Abstimmung der Kommandos und dem
Training der Betriebsmannschaft und der Validierung
der AOCS-(Altitude and Orbit Control System)
Funktionen dienen. Weiterhin wurden die Kompatibilitätstests
zwischen den Satelliten und den
Bodenkontrollstationen in Weilheim und Neustrelitz
sowie dem NASA Polar Ground Network durchgeführt.
Der Stand des MOS wurde im November in einem
Operational Readiness Review in Oberpfaffenhofen
präsentiert.
Erstes globales Erdschwerefeldmodell aus
CHAMP-Daten
Seit dem Start im Juli 2000 empfängt CHAMP an Bord
Signale von den hochfliegenden GPS-Satelliten zur
hochgenauen Entfernungsmessung und misst in-situ mit
dem Akzelerometer Störbeschleunigungen aufgrund der
Atmosphärenreibung und des Strahlungsdrucks. Diese
Abb. 1.25: Geoid aus 1 Monat GPS- und Akzelerometerdaten
der Satellitenmission CHAMP (Auflösung l/2 =
500 km)
Geoid from 1 month's worth of CHAMP GPS tracking
and accelerometer data (resolution l/2 = 500 km)
Daten werden für die zentimetergenaue Bahnbestimmung
des Satelliten genutzt, um aus den dann sichtbar
werdenden gravitativen Bahnstörungen die Parameter
aufzulösen, die die unregelmäßige Struktur des
Erdschwerefelds beschreiben. Nach Überwindung
anfänglicher technischer Probleme und Schwierigkeiten
in der Dateninterpretation und Kalibration ist ein erstes
globales Erdschwerefeldmodell auf der Basis von 30
Tagen CHAMP-Daten berechnet worden (Abb. 1.25).
Das Ergebnis ist beeindruckend: zum ersten Mal ist es
möglich, mit Bahninformationen über einen kurzen
Zeitraum und von nur einem einzelnen Satelliten ein
Schwerefeldmodell abzuleiten, das zudem noch die
Grobstruktur des Schwerefelds um den Faktor 2 bis 4
genauer wiedergibt als die bisherigen auf einer Vielzahl
von Satelliten und mehrjährigen Beobachtungszeiträumen
beruhenden Modelle. Die niedrige, fast polare
Bahn von CHAMP und die kontinuierliche Abdeckung
der Bahn mit Beobachtungen des GPS-Empfängers und
des Akzelerometers spielen dabei die entscheidende
Rolle.
Airborne Navigation and Gravimetry Ensemble &
Laboratory (ANGEL)
Im Frühjahr 2000 konzentrierte sich die Arbeit der
Aerogravimetrie-Arbeitsgruppe auf die Einbettung
eines neu beschafften LaCoste&Romberg-Fluggravimeters
in ein vollständiges aerogravimetrisches
Messsystem. Es wurden die technischen Voraussetzungen
geschaffen, um das Gravimeter und seine Peripherie
zu Test- und Abnahmezwecken in ein Flugzeug
einzurüsten. Die Ersteinrüstung des Systems wurde in
eine Cessna Grand Caravan des DLR in Oberpfaffenhofen
vorgenommen. Dieser Flugzeugtyp bietet hervorragende
technische Einrüstmöglichkeiten, verbunden
mit hoher Wirtschaftlichkeit. Deswegen ist die Cessna
Caravan zur Zeit das für Aerogravimetrie und andere
flugzeuggetragene Explorationssysteme am häufigsten
und erfolgreichsten eingesetzte Flugzeug weltweit.
Abb. 1.26: Cessna Grand Caravan des DLR in
Oberpfaffenhofen (Foto: U. Meyer, GFZ)
Cessna Grand Caravan of the DLR in Oberpfaffenhofen

Abb. 1.27: Installation des Aerogravimetrie-Systems im
Flugzeug (Foto: Meyer, GFZ)
Installation of the aerogravimetry system in the aircraft
Neben dem klassischen Fluggravimeter wurde ein
Strap-Down-System der Bayerischen Akademie der
Wissenschaften installiert. Die Navigationstechnik des
Aerogravimetriesystems bestand aus einem Trimble
4000 GPS-Empfänger und einem Ashtech Z-Surveyor,
verbunden mit einem IGI Inertial-Navigationssystem.
Zu Testzwecken wurde zusätzlich ein Laserhöhenmesser
eingebaut.
Abb. 1.28: Schema der Installation
Schematic sketch of the installation
Als Teststrecken für das Aerogravimetrie-System wurden
je zwei Profile über den bayerischen Voralpen
(kurzwellige, topografisch geprägte Schwereanomalien)
und dem Rheingraben (langwellige, durch den Graben
geprägte Schwereanomalie) gewählt. Abbildung 1.29
zeigt die Testprofile über dem Rhein, Abbildung 1.30
das Messresultat des südlichen Profils.
Abb. 1.29: Karte der
Freiluftanomalien über dem
Rheingraben und Lage der
Flugprofile
Map of free air anomalies
over the Rhine graben and
the location of the flight profiles
Abb. 1.30: Ergebnisse des
südlichen Flugprofils über
dem Rheingraben
Results of the southern flight
profile over the Rhine
graben
165

166
Aus den Erfahrungen der Ersteinrüstungen wurden
einige Systemverbesserungen, wie der Bau eines zentralen
Zeittriggers aus einer hochgenauen GPS-Uhr, in
direkter Folge vorgenommen. Aktuell wird ein neuer,
homogener Satz von GPS-Empfängern beschafft, der
die Bahnbestimmung des Flugzeugs mit wesentlich
höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung
gewährleisten soll, als es bislang der Fall war. Zugleich
dienten die Flüge dem Ausbau und der Anpassung der
Auswerteprogramme, die auch jetzt noch weiter vorangetrieben
wird. Für Kalibrierungsarbeiten und
Genauigkeitsuntersuchungen wird derzeit für den
LaCoste&Romberg-Sensor ein Teststand aufgebaut. Mit
dessen Hilfe sollten die bislang erzielten Resultate noch
weiter verbessert werden können. Die Ersteinrüstung
des Systems in Oberpfaffenhofen war neben den genannten
Aspekten auch grundlegend für die Vorbereitung
und Durchführung der MEXAGE-(México
AeroGeophysical Experiment) Flugkampagne im
Hochland von Mexiko und über dem Chicxulub-
Krater.
Für die weitere Zukunft werden Schwerpunkte auf
instrumentelle Verbesserungen am Gravimetriesystem,
auf die Auswertung der Daten und die Integration der
neuen GPS-Empfänger sowie deren Datenprozessierung
gelegt. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung ist die
Implementation eines Programmpaketes zur Modellierung
eines regionalen Geoids aus Aerogravimetrieund
bodennahen Schweredaten. Dieses Programmpaket
wurde bereits erfolgreich getestet und soll weiter ausgebaut
werden.
México AeroGeophysical Experiment (MEXAGE)
Etwa vor 65 Millionen Jahren ereigneten sich verschiedene
Naturkatastrophen, die zusammen das größte
bekannte Massensterben in der Erdgeschichte auslösten.
Unterhalb Indiens stieg ein Manteldiapir auf, der
schließlich Indien von der Seychellenbank löste.
Riesige Lavaströme pressten sich in der Dekka-Region
Indiens an die Oberfläche. Noch während diese
gewaltigen Vulkanausbrüche anhielten, ereignete sich in
der Gegend der heutigen Yucatán-Halbinsel in Mexiko
eine weitere Katastrophe: ein Meteorit von etwa 10 km
Durchmesser schlug dort auf der Erde ein und riss
einen Krater von 180 km Durchmesser und weit über
3 km Tiefe. Diese Ereignisse markieren zugleich einen
der wichtigsten Zeitenwechsel der geologischen
Erdgeschichte, den Übergang von der Kreide in das
Tertiär.
Zu dieser Zeit waren die großen Kontinente der Erde
schon auseinandergebrochen und drifteten in ihre
heutige Lage (Abb. 1.31). Aus Sedimentkernen wurde
abgeleitet, dass zwischen Kreide und Tertiär große
Gebiete der heutigen Landmassen unter der
Meeresoberfläche lagen, so auch der größte Teil
Mexikos und die gesamte Yucatán-Halbinsel. Der
Meteorit schlug also in ein Gebiet ein, das damals noch
etwa 200 bis 300 m unter dem Meeresspiegel lag. Heute
liegt etwa die Hälfte des damals überfluteten Yucatán-
Schelfs wenige Meter oberhalb der Meeresoberfläche
und bildet im Süden die Yucatán-Halbinsel, im Norden
den südlichsten Teil des Golfes von Mexiko (Abb. 1.32).
Der Krater selbst liegt mit seinem Zentrum unterhalb
des kleinen Fischerhafens Chicxulub (Abb. 1.33) und
wurde so nach ihm benannt. Damit liegt heute seine
nördliche Hälfte im Flachwasserbereich des Golfes von
Mexiko und seine südliche in Yucatán. Topografisch ist
die Kraterstruktur nicht sichtbar, weil der Krater selbst
im Laufe der Zeit mit Sedimenten aufgefüllt wurde. Nur
durch geophysikalische Methoden wie Seismik,
Magnetik oder Gravimetrie lässt sich der
Einschlagkrater in seiner Gesamtstruktur finden und
abbilden. Das Problem, das bei diesen Kartierungen bislang
immer wieder auftauchte, ist der Flachwasserbereich
vor der Küste von Yucatán mit nur sehr geringen
Wassertiefen, Sandbänken und Riffen. Hier können
Forschungsschiffe nur schwer operieren. Deshalb ist
ausgerechnet ein zentraler Teil des Kraters für oberflächennahe
Messungen kaum zugänglich. Als
Konsequenz wurde ausgehend vom GFZ in Kooperation
mit der Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM) und dem Consejo de Recursos Minerales de
México eine geophysikalische Befliegung dieses kritischen
Kraterbereiches durchgeführt. Vom Flugzeug aus
wurde das lokale Schwere- und Magnetfeld und deren
Anomalien, hervorgerufen durch den Krater, vermessen.
Das GFZ Potsdam stellte die Gravimetrie- und
Navigationstechnik für das Experiment zur Verfügung,
das Consejo de Recursos Minerales ein Flugzeug, das
bislang nur für reine Aeromagnetik-Flüge benutzt
wurde. Die UNAM koordinierte und finanzierte den
Flugzeugeinsatz in enger Abstimmung mit dem
Consejo. Das Messflugzeug ist eine Britten-Norman
Islander, ein kleines, zweimotoriges Flugzeug, ausgestattet
mit einer Heckverlängerung für die Aeromagnetik-Sensorik
(Abb. 1.34). In Zusammenarbeit mit den
Technikern des Consejo wurde ein LaCoste&Romberg
Fluggravimeter (Abb. 1.35), ein Strap-Down-Gravimeter
der Bayerischen Akademie der Wissenschaften,
ein Inertial-Navigationssystem (INS), und mehrere
GPS-Empfänger eingebaut (Abb. 1.36). Am Boden wurden
drei GPS-Referenzstationen und eine Magnetik-
Referenzstation betrieben.
Nach erfolgreicher Flugzeuginstallation und ersten Tests
wurden auf Wunsch des Consejo einige Testflüge über
dem mexikanischen Hochland zwischen den Städten
Zacatecas und Aguascalientes absolviert, bevor die
eigentliche Aufgabe, die Kartierung des Chicxulub-
Impaktkraters, von Merida in Yucatán aus begonnen
wurde (Abb. 1.32).
Der Chicxulub-Krater ist einer der größten Impaktstrukturen,
die weltweit bekannt sind. Wie alle großen
Impaktstrukturen dieser Art weist die Struktur des
Kraters mehrere konzentrische Ringe auf, die sich durch
die Seismik und Gravimetrie kartieren lassen. Dieses
System von Ringen und Teilringen kommt in erster

Linie dadurch zustande, dass die steilen Kraterwände
schon kurz nach dem Einschlag instabil werden und
aufeinanderfolgende Hangrutschungen entstehen, die
im Querschnitt Staffelbrüchen gleichen. Im Zentrum des
Kraters ist die kontinentale Kruste nach dem Einschlag
so ausgedünnt gewesen, dass der Erdmantel sich durch
den fehlenden Gegendruck aufwölbte. Dieser Effekt
zusammen mit dem durch den Aufprall aufgeschmolzenen
Gestein lässt in der Kratermitte ein lokales
Schwerehoch entstehen, kleinere Schwerehochs sind mit
den Strukturen der übereinandergeschobenen Hangrutschungen
verbunden – der Krater selbst ist durch die
fehlende Masse der Erdkruste und die Sedimentfüllung
mit geringer Dichte insgesamt ein Schweretief (Abb.
1.37). Der Meteorit schlug in eine verkarstete Kalkplatte
ein, dass heißt, der größte Teil der Oberfläche der
Erdkruste bestand aus Karbonaten. Damit trägt die
Erdkruste in diesem Gebiet kaum eine eigene
Magnetisierung. Umso deutlicher zeigen sich die
geschmolzenen Teile der tieferen Erdkruste und des
Meteoriten im Kraterzentrum in den neuen aeromagnetischen
Daten (Abb. 1.38). Exakt im inneren
Ringbereich des Chicxulub-Kraters finden sich deutliche,
lokale Magnetfeldanomalien, während rings um
den Krater das Magnetfeld eine eher glatte, homogene
Ausprägung hat.
Alle bisherigen geophysikalischen Modelle hatten den
großen Nachteil, dass im zentralen Bereich Daten
fehlten. Um trotzdem zu Ergebnissen zu kommen, wurden
die Strukturen interpoliert. Erst nach der MEX-
AGE-Befliegung kann überprüft werden, ob diese
Interpolationen und die daraus abgeleiteten Modelle der
Kraterstruktur gerechtfertigt waren. Die Auswertung der
Aerogravimetriedaten und die Überprüfung der Modelle
soll bis zum Ende des nächsten Jahres abgeschlossen
werden. Dann sind auch die ersten Ergebnisse der
ICDP-Bohrung im Bereich des Chicxulub-Kraters zu
erwarten. Ohne die tragende Hilfestellung des Teams der
Universidad Nacional und des Consejo de Recursos
Minerales (Abb. 1.39) wäre das MEXAGE-Projekt nicht
möglich gewesen.
Abb. 1.31: Die Lage der Kontinente vor 65 Millionen
Jahren und heute: die Dekka-Provinz und die Lokation
des Chicxulub-Impaktes
The position of the continents 65 million years ago and
today: the Decca province and the location of the
Chicxulub impact.
Abb. 1.32: Die Untersuchungsgebiete
der
MEXAGE-Flugkampagne
in Mexiko, die Kreise
deuten den inneren und
äußeren Kraterring des
Chicxulub-Impakts an.
The survey areas of the
MEXAGE flight campaign
in México, the circles
indicate the inner
and outer crater rings of
the Chicxulub impact.
167

168
Abb. 1.33: Ansichten von
Chicxulub
(Foto: U. Meyer, GFZ)
Views of Chicxulub
Abb. 1.34: Das Flugzeug
des Consejo de Recursos
Minerales, am Heck des
Flugzeugs ist die Verlängerung
für den Aeromagnetiksensor
angebracht.
(Foto: U. Meyer, GFZ)
The aircraft of the Consejo
de Recursos Minerales, at
the rear of the aircraft a
sting for the aeromagnetometry
sensor is mounted.
Abb. 1.35: Das LaCoste
&Romberg-Gravimeter, eingebaut
im Flugzeug, im
Hintergrund ist das Cockpit
zu erkennen.
(Foto: U. Meyer, GFZ)
The LaCoste&Romberg gravitymeter
mounted within
the aircraft, in the back the
cockpit.

Abb. 1.36: Schematische Skizze des Geräteeinbaus im
Flugzeug
Schematic sketch of the instrument installation within
the aircraft
Abb. 1.37: Schematische Skizze der Kraterstruktur
direkt nach dem Einschlag und seine Veränderung bis
heute samt seiner gravimetrischen Signatur
Schematic sketch of the crater structure immediatly after
the impact and its changes until today with its present
gravimetric signature
Abb. 1.38: Aeromagnetikdaten
des Chicxulub-Kraters
Aeromagnetometry data of the
Chicxulub impact structure
Abb. 1.39: MEXAGE-Team (Flugzeug-Crew und Wissenschaftler) in Zacatecas und Merida(Fotos: U. Meyer, GFZ)
MEXAGE-Team (aircraft crew and scientists) in Zacatecas and Merida.
169

170
Gravimetrische Messungen am "South African
Geodynamic Observatory Sutherland of GFZ"
(SAGOS)
1999 konnte das South African
Geodynamic Observatory Sutherland
(SAGOS) des GFZ seiner
Bestimmung übergeben werden.
Eines der Hauptinstrumente auf der
Station ist das bis zur Überführung
in Potsdam betriebene Supraleitgravitmeter.
Das Dual Sphere Supraleitgravimeter
(SLG) ist das erste und
einzige Instrument auf dem
afrikanischen Kontinent zur
hochauflösenden (10 -11 m*s-2) und
driftarmen (einige 10 -8 m*s-2)
Messung von Schwerevariationen
im Periodenbereich von Minuten
bis zu mehreren Jahren. Im März
2000 begann die Registrierung des
SLG mit 2 Schweresensoren, die
vertikal in einem Abstand von
19,63 cm angeordnet sind. Das
SLG ist Teil eines 18 Stationen
umfassenden weltweiten Netzes
von Supraleitgravimetern, die im
Rahmen des "Global Geodynamic Project (GGP)"
zusammenarbeiten. Die wissenschaftlichen Zielstellungen
sind die Erforschung von:
• Erdgezeiten und Erdkernresonanz im Gezeitenband
• Polbewegung
• Eigenschwingungen der Erde
• Erdkern-Moden
• Schwerevariationen infolge Massenumlagerungen in
der Atmosphäre und Hydrosphäre
• Schwereänderungen infolge tektonischer Bewegungen
• Kalibrierung von hochgenauen Satelliten-
Schweremessungen mittels Supraleitgravimeter-
Messungen.
Voraussetzung für eine erfolgreiche Untersuchung
oben genannter Forschungsziele ist ein geringes
Rauschen (Noise) an der Station. Zur Ermittlung der
Noise-Magnitude wurde von unbehandelten Schweredaten
eines Monats (Februar 2001) des unteren
Schweresensors G1l des SLG das Power-Spektrum
berechnet. Das Power-Spektrum (PSD) in µgal 2 /mHz
ist in Abb. 1.40 in Abhängigkeit von der Frequenz
dargestellt (blau). Die zugeordnete Noise-Magnitude
NM =10* log(PSD) in dB (PSD in m*s -2 ) ist auf der
rechten y-Achse aufgetragen. Die Noise-Magnitude
liegt unterhalb von 1 mHz dicht an bzw. unter dem
"New Low Noise Model” (NLNM)) nach Anderson
1993 (magenta). Dieser Vergleich zeigt, dass die
Station gute Voraussetzungen für gravimetrische
Messungen bietet. In diesem Spektralbereich liegen
auch die langperiodischen Eigenschwingungen der
Erde, die somit bestens detektiert werden können.
Abb. 1.40: Blau: Power-Spektrum (PSD) und Noise-Magnitude (NM) des
unteren SLG Sensors (G1l) Magenta: New Low Noise Model (NLNM)
Blue: Power Spectral Density (PSD) and Noise Magnitude (NM) of lower SG
sensor (G1l)
Gezeitenparameter
Es wurden erstmals die Gezeitenparameter für die
Region Sutherland in Südafrika mit hochauflösenden
gravimetrischen Daten bestimmt. Die Ergebnisse aus
der Analyse einer 18- monatigen SLG-Datenreihe und
den zeitgleichen Luftdruckdaten, die zur Korrektur des
Luftdruckeffektes dienen, sind im Abb. 1.41 zu sehen.
Zum Vergleich wurden die Amplitudenfaktoren δ.
(Verhältnis von beobachteter zu theoretischer
Amplitude) nach dem Wahr-Dehant-Modell (gelb) und
die mit dem Programm ETERNA 3.3 ermittelten
Amplitudenfaktoren δ. (blau) und Phasen κ. (grün).
dargestellt. Die Abweichungen vom Modell sind deutlich
zu erkennen. Für die Partialtiden mit den größeren
Amplituden Q1, O1, P1, und K1 (ganztägige Perioden)
sowie N2, M2, S2 und K2 (halbtägige Perioden) konnte
die Korrektur der Ozean-Auflast nach dem Schwiderski-
Modell angebracht werden (rot). Es zeigt sich, dass die
Korrektur der Ozean-Auflast nur bei den halbtägigen
Partialtiden N2, M2, S2 und K2 eine Annäherung der
Parameter δ und κ. an die Modellwerte bringt. Bei den
ganztägigen Partialtiden Q1, O1, P1 and K1 tritt hingegen
eine zunehmende Abweichung zu den Modellwerten
auf. Weitere Untersuchungen der Abweichungen der
Gezeitenparameter bis zu einer Verbesserung des
Auflastmodells des Ozeans sind erforderlich.
Eigenschwingungen der Erde
Das Erdbeben an der Küste von Peru (16,14S, 73,312 W,
Tiefe 33 km, Magnitude 8,4) am 23. Juni 2001 um

20:33:14.14 UTC wurde vom Moden-Kanal des SLG
aufgezeichnet. Zur Detektion der Eigenschwingungen
der Erde wurde ein Datensatz von 96 Stunden nach dem
Beben analysiert. Nach der Luftdruckkorrektur und
einer Tiefpassfilterung (Eckfrequenz 6 mHz) konnte das
Spektrum bei Überlagerung der Daten mit einem
Hanning-Window berechnet werden. Bild 1.42 zeigt die
Eigenschwingungen bis zur Frequenz von OS10.
Oberhalb des Spektrums sind die Modellwerte der
Frequenzen der sphäroidalen Moden aufgelistet. Ihre
Frequenzen entsprechen den zugeordneten Gridlinien.
Das geringe Rauschen an der Station und die hohe
Auflösung des SLG lassen erstmals die langperiodischen
Moden OS2, 2S1 und 0S3 so deutlich hervortreten.
Zur Demonstration der Ausbildung und des zeitlichen
Verlaufs der Moden wurden die Daten nach dem
Erdbeben einer Zeit-Frequenzanalyse mit Hilfe der
Abb. 1.41: Gezeitenparameter
für die Station
Sutherland. WD-Modell
Parameter (gelb), berechnete
Parameter (blau) und
(grün), Ozean Auflast korrigierte
Parameter (blau)
und (rot)
Tidal Parameters for
Sutherland site. WD Model
parameter d (yellow), calculated
parameters (blue)
and (green), Ocean loading
corrected parameters
(blue) and (red)
Abb. 1.42: Eigenschwingungen
der Erde nach dem
Erdbeben an der Küste von
Peru (16,14 °S, 73,312 °W,
Tiefe 33 km, Magnitude
8,4) am 23. Juni 2001 um
20:33:14.14 UTC
Free Oscillation of the
Earth after the Earthquake
near the coast of Peru
(16.14 °S, 73.312 °W, depth
33 km, magnitude 8.4)
on June 23, 2001 at
20:33:14.14 UTC
Wavelet-Transformation (Morlet-Wavelet) unterzogen.
Das Wavelet-Spektrum in Abb. 1.43 zeigt die
Herausbildung, das zeitliche Verhalten und das
Abklingen der einzelnen Moden. Im Bild links sind die
sphäroidalen Moden und rechts die zugeordneten
Perioden dargestellt. Der untere Bildabschnitt zeigt die
Daten nach dem Beben und das für die Berechnung des
Spektrums benutzte Wavelet. Das Abklingen der einzelnen
Moden erfolgt verschieden schnell. Die deutlich
sichtbaren Amplitudenschwankungen während des
Abklingens entstehen durch Überlagerung der einzelnen
Moden sowie ihrer Aufspaltungen. Es ist ebenfalls
festzustellen, dass die Perioden einiger Schwingungen
mit zunehmender Zeit etwas größer werden, z. B. OS2,
OS4, 1S2. Die Wavelet-Transformation kann somit
genutzt werden, um die zeitliche Periodenänderung und
die zeitlich abhängige Dämpfung der Eigenschwingungen
zu untersuchen.
171

172
Abb. 1.43: Wavelet-Spektrum der Eigenschwingungen
der Erde nach dem Erdbeben an der Küste von Peru
Wavelet-Spectrum of the Free Oscillation of the Earth
after the Earthquake near the coast of Peru
Auswirkung globaler physikalischer Prozesse
auf Rotation, Schwere- und Magnetfeld
Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Globale
physikalische Prozesse" wurden die Einflüsse oberflächennaher
Prozesse und von Bewegungen im Erdkern
auf die Erdrotation und das Schwerefeld untersucht. Für
die Berechnung der Bewegungen im Erdkern aus geomagnetischen
Variationen an der Kern-Mantel-Grenze
wurden inverse Methoden zur Feldfortsetzung entwikkelt.
Oberflächennahe Prozesse
Ziel unserer früheren Untersuchungen war es, die
saisonalen Ungleichgewichte im axialen Drehimpulsbudget
zwischen fester Erde und Atmosphäre besser zu
quantifizieren. Die Resultate zeigten sich als signifikante
Restabweichungen in verschiedenen LOD-
AAM-Systemen (LOD: Lenght of Day; AAM: atmospheric
angular momentum). Im komplexen Erdsystem
sollten sie durch nicht berücksichtigte Erregungsquellen
verursacht sein, wofür insbesondere der Drehimpulsaustausch
mit den Ozeanen und der Hydrosphäre zu
beachten ist. Deshalb wurden die Berechnungen hin-
sichtlich weiterer atmosphärischer, ozeanischer und
hydrologischer Beiträge zu Tageslängenänderungen
erweitert. Zunächst wurden bisher noch fehlende axiale
atmosphärische Drehimpulsdaten für die Atmosphärenschicht
zwischen den Niveaus 10 und 0,3 hPa in der
oberen Stratosphäre herangezogen. Axiale ozeanische
Drehimpulsdaten wurden mit Hilfe zweier ozeanischer
Zirkulationsmodelle generiert. Da keine Zeitreihe zur
Berechnung der saisonalen hydrologischen Beiträge verfügbar
war, wurden neuere Abschätzungen der
Oberflächenspeicherung benutzt. Mit diesen Untersuchungen
des globalen axialen Drehimpulsbudgets im
saisonalen Bereich konnte gezeigt werden, dass es
innerhalb der Unsicherheiten ausgeglichen ist.
Seit Mitte der siebziger Jahre sind die Erdorientierungsparameter
(EOP) mit sehr genauen geodätischen
Raumverfahren überwacht worden. In unserer
Untersuchung wurden die vom Jet Propulsion
Laboratory berechneten EOP-Zeitreihen zur Untersuchung
der zeitlichen Variabilität der Komponenten der
Polbewegung mit Chandler- und Jahresperiode benutzt.
Nach Separierung der beiden Perioden wurden ihre
Parameter und Ungenauigkeiten für Epochen mit
Vierteljahresabstand berechnet. Für die Chandler- und
Jahresperiode wurden zeitliche Variationen der
Periodenlänge festgestellt. In Weiterführung dieser
Analysen wurde die Aufmerksamkeit auf Polbewegungskomponenten
gerichtet, die wesentlich kleinere
Amplituden als die Chandler- und Jahreswellen haben.
Aus den EOP-Zeitreihen konnten folgende Anteile
separiert werden: Halb-Chandler- und halbjährliche
Perioden und Anteile mit 4-, 3-, 2- und 1,5-monatigen
Perioden sowie mit quasi-zweijährigen und 300-tägigen
Perioden.
Neben diesen Untersuchungen wurden ozeanische und
hydrologische Beiträge zur jahreszeitlichen Erregung
der Polbewegung und entsprechender Schwerefeldvariationen
betrachtet. Der Einfluss auf die Polbewegung
wird durch entsprechende Erregerfunktionen beschrieben,
die bei Simulationen der ozeanischen und hydrologischen
Prozesse berechnet werden. Von den frei verfügbaren
Ozeanmodellen wurden die OMCT-, POCMund
MIT-Modelle (OMCT: Ocean Model for
Circulation and Tides, POCM: Parallel Ocean Climate
Model, MIT: Massachusetts Institute of Technology)
verwandt. Für die Bodenfeuchte wurden die
NCEP/NCAR-Reanalysen (NCEP: National Center for
Environmental Prediction, NCAR: National Center for
Atmospheric Research) und ergänzende Datenreihen
herangezogen, die sich insbesondere in der Berücksichtigung
der Schneebedeckung unterscheiden. Bisher
konnte der Beitrag der Bodenfeuchte zu den
Polbewegungs- und Schwerevariationen noch nicht ausreichend
geklärt werden. Dagegen ergab sich aus der
Untersuchung zur Ozeandynamik ein signifikanter
Beitrag zur jährlichen Polbewegung, der nach der atmosphärischen
Erregung der wichtigste in diesem
Periodenbereich ist und den vorläufig geschätzten
Beitrag der Bodenfeuchte wesentlich übersteigt.

Außerdem wurden die durch die Ozeandynamik verursachten
Schwerefeldänderungen für jährliche und halbjährliche
Perioden, sowie für kürzere Perioden untersucht.
Grundlage dafür waren Modellsimulationen mit
dem Ozeanmodell von Thomas und Sündermann. Der
Vergleich mit den erwarteten Genauigkeiten der
Satellitenmissionen CHAMP und GRACE zeigte, dass
ozeanbedingte Variationen des Schwerefeldes in den
genannten Periodenbereichen mit CHAMP bis Grad und
Ordnung 8 und mit GRACE bis Grad und Ordnung 34
nachgewiesen werden können.
Schließlich wurden die Altimeterdaten aus den ERS1und
Topex-Poseidon-Missionen benutzt, um ozeanbedingte
Polbewegungen aus Messungen der Meeresspiegelschwankungen
abzuleiten. Es zeigte sich, dass
die Ozeandynamik einen sehr hohen stochastischen
Anteil an den Meeresspiegelschwankungen generiert.
Demzufolge müssen genügend lange
Datensätze vorliegen, um den deterministischen
Anteil in den Zeitreihen
der Meeresspiegelhöhe zu isolieren.
Die ERS1-Datensätze sind hierfür
nicht lang genug. Dagegen reicht die
Länge des Topex-Poseidon-Datensatzes
aus, um die Jahresperiode der
Erregerfunktion der Polbewegung zu
bestimmen. Daneben wurde eine ca. 4jährige
Oszillation ermittelt, die von
einem Massentransport im Pazifik
stammt, der vermutlich durch den El-
Nino-Effekt verursacht wird.
Relativbewegungen des Innenkerns,
Polbewegungs- und Schwerevariationen
Eine Bewegung der Figurenachse des
Innenkernes um die Polachse der Erde
führt wegen der Abplattung des
Innenkerns und der Dichtedifferenz
zwischen Innen- und Außenkern zu
Massenumlagerungen, welche zeitliche
Variationen der Polbewegung
verursachen. Unter der Annahme, dass
die hinsichtlich des atmosphärischen
Einflusses reduzierten dekadischen
Polbewegungen vollständig durch eine
solche Bewegung des Innenkerns erzeugt werden, kann
man mit Hilfe der Rotationsgleichungen die dazu
notwendigen Variationen der Figurenachse berechnen.
Benutzt man Standarddichtemodelle, so ergeben die
Berechnungen, dass die Auslenkung der Figurenachse
von der Polachse der Erde in einem Winkelbereich von
0,4° bis 1,4° schwankt, diese Schwankungen neben
irregulären Anteilen die bekannten Perioden von ca. 30
und 70 Jahren haben und die Figurenachse mit etwa 0,7°
pro Jahr ostwärts driftet. Die Drift stimmt in Richtung
und Betrag etwa mit den Vorhersagen moderner
Dynamomodelle für den Außenkern überein. Dagegen
kann die Auslenkung bisher nicht mit Drehmomentmodellen
erklärt werden.
Die durch die angenommene Relativbewegung des
Innenkerns verursachten Massenverlagerungen wirken
sich auch auf die Variationen des Schwerefeldes aus. Die
entsprechenden Amplituden wurden aus der
Relativbewegung berechnet. Ein Vergleich der
Berechnungen mit der Genauigkeit gegenwärtiger
Gravitationsfeldmodelle, z. B. GRIM4, und mit der
erwarteten Genauigkeit der Satellitenmissionen
CHAMP und GRACE zeigte, dass die Hypothese der
Innenkernbewegung während der nächsten 10 Jahre
getestet werden kann. Voraussetzung ist, dass die
Beiträge anderer Prozesse separiert werden können, was
insbesondere die genaue Erfassung des Gravitationseffektes
oberflächennaher Prozesse auch im dekadischen
Zeitbereich erfordert.
Abb 1.44.: Radialkomponente des Erdmagnetfeldes an der Kern-Mantel-
Grenze für die Epoche 1930, berechnet durch nicht-harmonische
Fortsetzung des poloidalen Feldes von Grad und Ordnung 8 für eine elektrische
Leitfähigkeit σ = 3000 Ω -1 m -1 in den unteren 200 km des Erdmantels
Radial component of the geomagnetic field at the core-mantle boundary
for the epoch 1930 calculated by non-harmonic continuation of the
poloidal geomagnetic field of degree and order 8 assuming an electrical
conductivity of σ = 3000 Ω -1 m -1 in the lowermost 200 km of the Earth's
mantle
Inverse Bestimmung des Magnetfeldes an der
Kern-Mantel-Grenze
Für die Untersuchungen zur Kern-Mantel-Kopplung
und der damit verbundenen Relativbewegungen ist die
Kenntnis der geomagnetischen Variationen in der
gesamten Kern-Mantel-Übergangszone nötig.
Vor ca. 5 Jahren wurde ein numerisches Verfahren zur
inversen Lösung der Induktionsgleichung zur
Ausbreitung geomagnetischer Variationen im Mantel
entwickelt. Dieses nicht-harmonische Verfahren wurde
inzwischen soweit verbessert, dass es sowohl auf Daten
173

174
Abb. 1.45: Geoidhöhenvariation in mm für Zweitagesintervalle im April 1994, verursacht durch ozeanische
Massenumverteilung gemäß dem theoretischen Modell OMCT (Institut für Meereskunde, Universität Hamburg)
Geoid height variation in mm for two-day intervals in April 1994 caused by oceanic mass redistribution according
to the theoretical model OMCT (Institute of Oceanography, University of Hamburg)
mit kurzperiodischen Schwankungen als auch auf
Rotationen des Außenkerns im Bereich der Kern-
Mantel-Übergangszone anwendbar ist. Im Rahmen der
Untersuchungen wurde das für Inversionsverfahren typische
Stabilitätsproblem durch Anwendung eines
geeigneten mathematischen Algorithmus gelöst.
Mit Hilfe des Verfahrens wurde zunächst für verschiedene
Modelle der Leitfähigkeit des Mantels das
Magnetfeld an der Kern-Mantel-Grenze berechnet und
mit dem durch harmonische Verfahren bestimmten Feld
verglichen. Danach wurde der Algorithmus modifiziert
und eingesetzt, um das Feld in eine hochleitfähige
Schicht unterhalb der Kern-Mantel-Grenze fortzusetzen,
die mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit differentiell
rotiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das nicht-harmonische
Verfahren bei dekadischen Variationen nur für
kurze Perioden zu erheblichen Abweichungen vom harmonischen
Verfahren führen kann, bei subdekadischen
Variationen universeller als die konventionelle
Strömungsmethode anwendbar ist und erst in Schichten
mit sehr hoher Leitfähigkeit wie der des Außenkerns an
seine Grenze gelangt.
Die gekoppelte Inversion von geomagnetischen und
Rotationsvariationen zeigte, dass das Drehimpulsgleichgewicht
zwischen Kern und Mantel bei Modellen starr
rotierender Schichten im oberen Kern nur erreicht werden
kann, wenn die Schichtdicke zeitvariabel angesetzt
wird. Die Resultate sind dementsprechende Zeitreihen
der Schichtdicke. Alternativ sollte in zukünftigen
Untersuchungen die Dichte der an der Kopplung
beteiligten Schicht variabel gelassen und ihr
Zeitverhalten durch Inversion bestimmt werden.
Auswirkungen von Eis- und Wasserlasten auf
Erdfigur, Deformations- und Schwerefeld
Die kausale Beschreibung langperiodischer Deformationen
des Erdkörpers basiert auf der Feldtheorie der

Gravito-Viskoelastodynamik. Ein wichtiger
Prozess in diesem Periodenbereich
sind insbesondere die durch das
Abschmelzen der pleistozänen und
heutigen Eislasten hervorgerufenen
glazial-isostatischen Ausgleichsvorgänge.
Die in diesem Zusammenhang
vorrangigen Ziele des Forschungsvorhabens
waren die Weiterentwicklung
der theoretischen Grundlagen, die
Erweiterung der Datenbasis sowie die
Steigerung der Effizienz der Software-
Pakete und die Modellierung glazialisostatischer
Ausgleichsprozesse. Bei
der Modellierung ging es um die
Bestimmung der Viskosität des Erdinnern
und es wurde der Versuch unternommen,
den Einfluss von Vertikalbewegungen
und Geoidänderungen
auf die säkularen Meeresspiegeländerungen
abzuschätzen.
Gravito-Viskoelastodynamik
Die theoretische Behandlung langperiodischer
Deformationen des Erdkörpers
erfolgt mit Hilfe der Feldtheorie
der Gravito-Viskoelastodynamik, wobei
gewöhnlich Maxwell-Viskoelastizität
angenommen wird. Im einzelnen
wurden Fragen zur Kompressibilität
und lateralen Heterogenität bearbeitet.
Zur Untersuchung des Einflusses der
Kompressibilität auf das Relaxationsverhalten
viskoelastischer Erdmodelle
müssen zwei Teilprobleme gelöst
werden: (1) Berücksichtigung der
Auswirkungen der Selbstkompression
auf die Dichtezunahme mit der Tiefe
im ungestörten Zustand und (2)
Berücksichtigung dieses Dichteprofils
und der Kompressibilität bei der
Berechnung des gestörten Zustandes.
Zur Lösung der grundsätzlichen
Problematik war zunächst ein vereinfachtes
sphärisches Erdmodell mit
einem chemisch homogenen, kompressiblen
Erdmantel entwickelt worden.
Die Analyse der Lösung zeigte,
dass sich das Erdmodell bei auflastinduzierten
Deformationen stabil verhält.
Im nächsten Schritt wurde das
Modell realistischer gestaltet und die
Lösung für Deformationen eines Erdmodells bestehend
aus chemisch homogenen, kompressiblen Kugelschalen
berechnet.
Die Entwicklung lateral heterogener sphärischer
Erdmodelle ist erschwert durch die Tatsache, dass
Variationen der Viskosität in lateraler Richtung nicht
Abb. 1.46: Durch Abschmelzen von Gletschern hervorgerufene
Vertikalbewegung und Geoidänderung sowie damit verbundene relative
Meeresspiegeländerung an Gezeitenpegeln. Letztere ist zu trennen von der
durch Klimaänderungen hervorgerufenen absoluten Meeresspiegeländerung.
Vertical movement and geoid change due to the melting of glaciers as well
as associated relative sea-level change at tide-gauges. The latter must be
distinguished from absolute sea-level changes caused by climate change.
Abb. 1.47: Permanente GPS-Stationen in Kanada und den nordöstlichen
USA. Die rot gekennzeichneten Stationen wurden im Jahre 2001 vom GFZ
Potsdam in Zusammenarbeit mit der Geodetic Survey Division in Ottawa
installiert.
Permanent GPS stations in Canada and the northeastern USA. The stations
marked in red were installed in the year 2001 by the GFZ Potsdam in
cooperation with the Geodetic Survey Division at Ottawa.
klein gegenüber der mittleren Viskosität sind. Daher
können hier keine störungstheoretischen analytischen
Methoden Anwendung finden, und zur Modellierung
beliebiger 3D-Verteilungen der Viskosität müssen
komplexe numerische Verfahren entwickelt werden.
Zur Kalibrierung dieser Verfahren und zum physikalischen
Verständnis der Auswirkungen lateraler
175

176
Variationen sind allerdings analytische Lösungen für
vereinfachte 2D-und 3D-Erdmodelle unerlässlich.
Hierzu war zunächst die Lösung für eine Punktlast auf
einem 2D-Erdmodell, bestehend aus zwei axialsymmetrischen
Kugelschalen, berechnet worden. Diese
Lösung wurde im weiteren Verlauf für zwei Kugelschalen
mit voller 3D-Symmetrie verallgemeinert.
Parallel dazu wurde ein numerisches Verfahren
entwickelt, das bei der Interpretation die Verwendung
von Erdmodellen mit beliebiger 3D-Verteilung der
Viskosität gestattet.
Beobachtungsdaten, Eismodelle und Software-
Entwicklung
Zur Lösung der gestellten Aufgaben - verbesserte
Bestimmung der Viskosität des Erdinnern und Einfluss
von Vertikalbewegungen auf säkulare Meereresspiegeländerungen
- ist es erforderlich, neben der Erhöhung der
Komplexität der verwendeten Erdmodelle auch die zur
Verfügung stehende Datenbasis zu erweitern und realis-
tische Modelle der pleistozänen und gegenwärtigen
Eisbedeckung zu entwickeln. Daneben ist für die
Modellierung auch eine Erhöhung der numerischen
Effizienz der zugehörigen Software von Bedeutung. Im
einzelnen wurden folgende flankierende Maßnahmen
ergriffen:
Neben den von der geplanten Satellitenmission GRACE
erwarteten Daten zur zeitlichen Variabilität des
Schwerefeldes ist es für die gestellten Aufgaben
notwendig, die verfügbaren konventionelle Beobachtungsdaten
in die Modellierungen zu integrieren. Hierzu
eignen sich vor allem Daten zur postglazialen relativen
Meeresspiegeländerung (Palaeo-Strandliniendaten). Bei
der Zusammenstellung dieser Daten konnte weitgehend
auf Datenarchive anderer Institutionen zurückgegriffen
werden, zum Teil mussten ergänzend eigene Recherchen
der Fachliteratur vorgenommen werden. Gegenwärtig
umfasst das Gesamtarchiv Daten von Nordamerika (ca.
8865 Proben), Großbritannien (ca. 1048 Proben),
Fennoskandien (ca. 553 Proben), der Barentssee (ca.
Abb. 1.48: Mächtigkeit in m des globalen Eismodells ICE-3G für die nördliche Hemisphäre während des letzten
glazialen Maximums und seit dem Ende der Abschmelzphase (links) sowie Mächtigkeit in m des regionalen
Eismodells SVAL-R für Svalbard zum gegenwärtigen Zeitpunkt und angenommene Abschmelzgeschichten (rechts)
Thickness in m of the global ice model ICE-3G for the northern hemisphere at the last glacial maximum and since
the end of the deglaciation phase (left) as well as thickness in m of the regional ice model SVAL-R for Svalbard at
the present time and assumed deglaciation histories (right)

264 Proben) und dem äquatorialen Bereich (ca. 349
Proben). Des weiteren kann auch verstärkt auf GPS-
Messungen der mit glazial-isostatischen Ausgleichsvorgängen
verbundenen Vertikal- und Horizontalverschiebungen
zurückgegriffen werden. Während diesbezüglich
die Situation im fennoskandischen
Hebungsgebiet befriedigend ist, ist die Abdeckung im
kanadischen Hebungsgebiet noch unzureichend. Daher
wurde im Rahmen des SEAL-Projekts und in
Zusammenarbeit mit der Geodetic Survey Division,
Ottawa, in Nordkanada ein Netzwerk von sechs permanenten
GPS-Stationen an den Orten Baker Lake, Pickle
Lake, Great Whale River, Val d'Or, Dartmouth und Sept
Isle aufgebaut, das mittlerweile operativ ist.
Für die Modellierung der globalen Umverteilung der
Eis- und Wassermassen während des Pleistozäns kann
auf mehrere frei zugängliche geomorphologische (z.B.
ICE-3G, SCAN-2, BARENTS-2) und thermomechanische
(z.B. ICE-NH1) Eismodelle zurückgegriffen werden.
Für Regionen mit hoher Dichte konventioneller
Beobachtungsdaten, wie Fennoskandien, sind diese
Modelle allerdings nicht ausreichend. Daher wurde für
diese Region das hochauflösende Eismodell WEICH-
SEL-3 entwickelt, das bei der Modellierung der
Beobachtungsdaten gegenüber früheren Interpretationen
deutlich verbesserte Anpassungen erlaubt.
Bei der Software-Entwicklung stand die Neuentwicklung
von Computer-Codes sowie die Optimierung
vorhandener Codes im Vordergrund. Gegenwärtig stehen
für die Modellierung Codes für 1D-, 2D-oder 3D-
Erdmodelle zur Verfügung, wobei für Vergleichszwecke
auch unterschiedliche numerische Verfahren verwandt
werden. Weitere Arbeiten beschäftigten sich mit der
numerischen Implementierung der zur Berücksichtigung
der Eis-Wasser-Umverteilung erforderlichen
"Sea Level Equation" für 2D- und 3D-Erdmodelle, was
gegenüber herkömmlichen Verfahren für 1D-
Erdmodelle erhebliche Modifikationen erfordert.
Abb. 1.49: Berechnete Vertikalbewegung, Geoidänderung und resultierende relative Meeresspiegeländerung in Ny-
Ålesund, Svalbard, hervorgerufen durch glaziale Isostasie. Die Vorhersagen beziehen sich auf die Erdmodelle A1, A2
und NA sowie auf das rezente Eismodell SVAL-R mit angenommenen Abschmelzgeschichten. Für die geophysikalisch
plausiblen Erdmodelle A1 und A2 wird eine relative Meeresspiegelabsenkung vorhergesagt, welche die beobachtete
relative Meeresspiegelabsenkung von ca. 2,6 mm pro Jahr übersteigt. Dies kann auf einen klimatisch bedingten
absoluten Meeresspiegelanstieg hinweisen.
Calculated vertical movement, geoid change and resulting relative sea-level change at Ny-Ålesund, Svalbard, due to
glacial isostasy. The predictions are based on earth models A1, A2 and NA as well as the recent ice model SVAL-R
with assumed deglaciation histories. For the geophysically plausible earth models A1 and A2 a relative sea-level fall
is predicted, which exceeds the observed relative sea-level fall of about 2.6 mm per year. This may indicate a climatically
induced absolute sea-level rise.
177

178
Modellierung
Bei der Modellierung standen die Bestimmung der
Viskosität des Erdinnern sowie der Einfluss von
Vertikalbewegungen und Geoidänderungen auf säkulare
Meeresspiegeländerungen im Vordergrund.
Da die Vorhersage des Einflusses von glazial-isostatischen
Vertikalbewegungen und Geoidänderungen auf
die an Gezeitenpegeln beobachteten säkularen
Meeresspiegeländerungen realistische viskoelastische
Erdmodelle voraussetzt, wurde zunächst der Versuch
unternommen, die Kenntnis der Viskositätsverteilung im
Erdinnern zu verbessern. Als Beispiel wurde
Fennoskandien gewählt, wo als Folge einer früheren
Modellierung mit ausgewählten Beobachtungsdaten und
vereinfachten Eismodellen bereits Erfahrungen vorliegen.
Im weiteren Verlauf wurde diese Interpretation
unter Einbeziehung der Gesamtheit der Palaeostrandlinien-
und anderer Beobachtungsdaten und unter
Verwendung des realistischen Eismodells WEICHSEL-
3 für den nordeuropäischen Teil der pleistozänen
Vereisung verbessert. Die Modellierung basiert auf der
neuentwickelten Software für radialsymmetrische kompressible
Erdmodelle mit realistischem Dichteprofil.
Bisherige Ergebnisse der Interpretation weisen auf
Viskositäten von ca. 0,8 x 1021 Pa s im oberen
Erdmantel und ca. 8 x 1021 Pa s im unteren Erdmantel
hin. Für die Lithosphärenmächtigkeit ergibt sich eine
obere Schranke von 115 km.
Ein wichtiges Ziel im Rahmen des SEAL-Projekts ist
die Berücksichtigung der mit glazial-isostatischen
Ausgleichsvorgängen verbundenen Vertikalbewegungen
und Geoidänderungen bei der Analyse von säkularen
Meeresspiegeländerungen. Hierzu wurde in einer
Pilotstudie der Gezeitenpegel von Ny-Ålesund,
Svalbard, ausgewählt und die Vertikalbewegungen mit
Hilfe eines radialsymmetrischen Erdmodells untersucht.
Die plausiblen Wertebereiche für die Lithosphärenmächtigkeit
und Mantelviskosität basieren auf früheren
Interpretationen der postglazialen Landhebung in der
Region Svalbard-Barentssee. Zur Simulation des
Abschmelzens der kontinentalen Eismassen mussten für
dieses Gebiet neben dem pleistozänen Eisschild auch
Svalbards gegenwärtige Eiskappen und Gletscher
berücksichtigt werden. Dazu wurde das globale
Eismodell ICE-3G um das regionale Eismodell SVAL-R
erweitert und die zugehörige Vertikalbewegung und
Geoidänderung berechnet. Ergebnis der bisherigen
Modellierungen ist, dass die durch glaziale Isostasie
hervorgerufene Meeresspiegelabsenkung für plausible
glazial-isostatische Modelle größer ist als die
beobachtete säkulare Absenkung von ca. 2,6 mm pro
Jahr, was auf einen klimatisch bedingten absoluten
Meeresspiegelanstieg hinweisen kann.
Fernerkundung der Erde
Arbeitsgegenstand im Projektbereich Fernerkundung ist
die Untersuchung von Möglichkeiten neuer fernerkundlicher
Methoden zur Identifikation und
Quantifizierung von Objekten und Oberflächenmaterialien
und deren Stellung in räumlichen und zeitlichen
Prozessabläufen. Dabei wird der raumbezogene und der
Abb. 1.50: Spektrale Reflexionssignaturen städtischer Oberflächenmaterialien in hyperspektralen HyMap-Daten
eines Testgebietes in Dresden
Spectral reflectance signatures of urban surface materials obtained from hyperspectral HyMap data for a study area
in the city of Dresden

spektrale Informationsgehalt von Daten unterschiedlicher
Satelliten- und Flugzeugsensoren analysiert und
Konzepte sowie Algorithmen zur Auswertung für verschiedene
geowissensschaftliche Fragestellungen
entwickelt.
Schwerpunktthemen bilden die Umwelt, Geologie und
verstärkt die Naturgefahren. Die methodischen
Entwicklungen ergeben sich aus den Anforderungen der
drei Anwendungsbereiche und konzentrieren sich dabei
auf die hyperspektrale Datenanalyse, Objekterkennung
und SAR-Interferometrie.
Umwelt
Arbeiten des Projektbereiches zum Thema Stadtökologie
befassen sich mit der Entwicklung von fernerkundlichen
Algorithmen, die die automatisierte
Identifizierung städtischer Oberflächen wesentlich
verbessern und für die stadtplanerische Praxis einsatzfähig
machen. Dazu werden gegenwärtig spektral
hochauflösende Daten von flugzeuggetragenen hyperspektralen
Fernerkundungssensoren (z. B. DAIS 7915
und HYMAP) genutzt. Diese Untersuchungen erfolgen
im Hinblick auf eine zukünftige Verfügbarkeit von
hyperspektralen Daten satellitengestützter Sensoren
(OrbView 4), auf deren Basis ein Monitoring von urbanen
Räumen möglich ist. Die wissenschaftlichen
Arbeiten im Berichtszeitraum gliedern sich in zwei
Punkte - den Aufbau einer spektralen Bibliothek für
städtische Oberflächen im europäischen Bereich und die
Integration von Mustererkennungsalgorithmen in die
spektrale Auswertesoftware. Testgebiete bilden die
Städte Dresden und Potsdam.
Die spektrale Bibliothek ist eine Sammlung von spektralen
Reflexionsmessungen verschiedenster städtischer
Oberflächenmaterialien. Dazu zählen unterschiedliche
Strassen- und Gehwegbeläge, Dachmaterialien sowie
offene Freiflächen und Vegetationsflächen in ihrer für
urbane Räume typischen Ausprägung. Jede dieser
Oberflächen verfügt über ein bestimmtes Vermögen,
Photonen zu absorbieren, zu brechen und zu reflektieren.
Diese drei Prozesse sind wellenlängenabhängig.
Die Reflexion wird mit einem Feldspektrometer
spektral gemessen. Der Sensor zeichnet
Reflexionswerte im Wellenlängenbereich von 350 bis
2500 nm mit einer spektralen Auflösung von 1 nm auf.
Die chemisch/stoffliche Zusammensetzung ist verantwortlich
für die Höhe der Reflexion in jedem Kanal
und äußert sich in einem materialtypischen
Reflexionsspektrum. Somit gibt die spektrale
Bibliothek Auskunft über spektrale Charakteristika
von städtischen Oberflächen. Sie ist eine wichtige
Datenbasis für die materialorientierte Auswertung
hyperspektraler Fernerkundungsdaten mit dem Ziel
einer flächendeckenden Identifizierung der städtischen
Oberflächen. In Abb. 1.50 sind die spektralen
Reflexionssignaturen in einem HyMap-Datensatz
für einige Oberflächenmaterialien des Testgebietes
Dresden dargestellt. Die Materialidentifizierung
erfolgte im Vergleich mit den Signaturen der
Spektralbibliothek.
Aufgrund des kleinflächigen Wechsels von Oberflächentypen
in Städten ergibt sich ein großer Anteil an
Mischpixeln im Bild, was zur Entwicklung eines neuen
Entmischungsprogrammes in den letzten Jahren führte.
Ähnliche spektrale Eigenschaften einiger Dach- und
Bodentypen sowie die Unterdrückung der spektralen
Eigenschaften im Bildpixel nicht-dominierender Mischklassen
erforderte die Integration von räumlichen Zusatzinformationen
im Auswerteprozess. Beispielsweise
bestehen asphaltierte Straßen und Dachdeckungsbahnen
aus Bitumen. Die Trennung von Straßen und Gebäuden
ist jedoch aufgrund ihrer unterschiedlichen stadtökologischen
Wirkungsweise von großer Bedeutung. So werden
nun mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen
die Gebäudeflächen a priori automatisch im Bild detektiert,
maskiert und ebenso wie die übrigen Objektflächen
spektral identifiziert. Anschließend werden die
unbekannten Mischpixel aufgrund ihrer räumlichen
Nachbarschaftsbeziehungen zu bereits identifizierten
Pixeln iterativ mit Hilfe eines Flächenwachstumsverfahrens
analysiert. Als Ergebnis stehen somit neben dem
dominierenden Oberflächentyp, dem prozentualen
Anteil im Bildpixel, auch die Ergebnisse für die
Mischklassen zur Verfügung.
Geologie
Im Rahmen eines GIF-Projektes (GIF: German-Israeli-
Foundation) wurden hyperspektrale Daten des abbildenden
Spektrometers DAIS 7915 mit dem Ziel
analysiert, die Lithologie des magmatischen Komplexes
Mt. Timna, Südisrael, zu kartieren. Bevor die Bilddatenauswertung
erfolgte, mussten mehrere Vorverarbeitungsschritte
zur Verbesserung der Datenqualität
durchgeführt werden. Der erste Schritt diente der
Elimination eines sensorbedingten Streifenmusters und
der Minimierung des zufälligen Rauschanteils. Zur
Entfernung des systematischen Rauschanteils musste
aufgrund der Komplexität des Rauschmusters (zeilenabhängiges
Sinusmuster) ein neuartiges Korrekturverfahren
entwickelt werden. Die Minimierung des zufälligen
Rauschens erfolgte durch Filterung der betroffenen
Bildkomponenten nach einer MNF-Transformation. In
einem zweiten Schritt wurde eine atmosphärische
Korrektur der Bilddaten durchgeführt. Durch diese
spektrale Normierung wird eine Identifizierung der
Mineralogie am Boden ermöglicht. Die Korrektur
erfolgte nach Wellenlängenbereichen getrennt. Für die
Umrechnung der Strahldichte in Reflexionswerte wurde
die Empirical Line Methode verwendet, die Referenzmessungen
im Felde voraussetzt. Für die Berechnung
der Strahldichte am Boden aus der emittierenden
Strahlung kam das Atmosphärenkorrekturprogramm
Atcor 4 zur Anwendung. Anschließend erfolgte eine
Trennung der berechneten Strahldichte in Emissivitätsund
Temperaturwerte. Dazu wurden verschiedene
Verfahren (z.B. Alpha Residuals Method oder
Normalized Emissivity Method) getestet.
179

180
Mit diesen korrigierten Daten lassen sich nun zwei verschiedene
Produkte erstellen. Basierend auf den
Temperaturwerten können Temperaturkarten für das
Testgebiet erstellt werden. Die Reflexions- bzw.
Emissionswerte dienen als Grundlage für die flächenhafte
Kartierung der Lithologie des Mt. Timnas. Zur
Klassifizierung der lithologischen Einheiten wurde ein
künstliches neuronales Netzwerk eingesetzt, welches in
der Lage ist, feinste spektrale Variationen zwischen den
Einheiten selbstständig zu erkennen und zu berücksichtigen.
Das Klassifizierungsergebnis (Abb. 1.51)
zeigt eine gute räumliche Differenzierung der Hauptgesteinseinheiten
und stimmt mit der Geologie im
wesentlichen überein. Für Schwemmfächer und Wadis
ergibt sich sogar eine feinere Unterscheidung einzelner
Einheiten, die in der geologischen Karte allgemein als
quartäre Ablagerungen zusammengefasst werden.
Abb. 1.51: Klassifizierung der Lithologie des magmatischen Komplexes Mt. Timna, Südisrael
Lithological classification of the magmatic Mt. Timna complex in Southern Israel
Abb. 1.52: Ausschnitt des Klassifizierungsergebnisses einer
Standardmethode (a) und eines neuen multitemporalen Ansatzes (b)
Subset of the classification result obtained by (a) standard method and
(b) new multitemporal approach
Die Ergebnisse zeigen, dass eine genaue flächenhafte
Kartierung mineralogisch/lithologischer Einheiten mittels
hyperspektraler Fernerkundungsdaten durchführbar
ist und zusätzlich aufgrund der Spektraldaten eine
Identifizierung von Mineralen, wie zum
Beispiel Karbonate oder Tonminerale,
anhand von Reflexionsdaten zulässt. Damit
wird dem Geologen ein hilfreiches
Werkzeug gegeben, das es ihm ermöglicht,
seine Kartierungsarbeit zu optimieren und
sie auch in unzugänglichere Bereiche
auszudehnen und dort durchzuführen.
Auch für die Lagerstättenexploration ist
die Auswertung von Fernerkundungsdaten
von Bedeutung. Durch die Bilddaten-
auswertung können Vorabkartierungen
erfolgen, die beispielsweise Bereiche hydrothermaler
Lagerstätten anhand bestimmter
Mineralvergesellschaftungen (Kaolinit/Illit
und Montmorillonit) eingrenzen

und somit zu Kosten- und Zeitersparnissen bei der
Geländearbeit führen. Es ist jedoch wichtig zu betonen,
dass die Fernerkundung als ein bedeutendes Hilfsmittel
anzusehen ist, aber bei dem momentanen Stand der
Sensortechnik die Geländearbeit nicht ersetzt kann.
Naturgefahren
Untersuchungen von Naturgefahren im Hinblick auf
Massenbewegungen, Erdbeben und Überschwemmungen
stellen einen weiteren Schwerpunkt dieses
Projektbereiches dar. Ziel ist es, mit Hilfe von
Fernerkundungsdaten wichtige Informationen zur
Risikoabschätzung und Prävention bereitzustellen.
Testgebiete liegen in Europa und Asien.
Das Projekt C1 "Satellitengestützte Charakterisierung
und Inventarisierung von katastrophenrelevanten
Elementen der natürlichen und anthropogenen
Landschaftsausstattung" ist ein Teilprojekt (TP) des
Deutschen Forschungsnetzes Naturkatastrophen
(DFNK). Das DFNK ist in fünf unterschiedliche thematische
Cluster unterteilt, wobei das Teilprojekt C1 in
zweien dieser Cluster vertreten ist. Das Ziel des TP C1
im Cluster "Risikoanalyse Hochwasser" ist die Analyse
und Entwicklung von Klassifizierungsmethoden zur
Erstellung aktueller Landnutzungskarten anhand von
Satellitendaten. Für die Klassifizierung werden Daten
des Satelliten Landsat 7 ETM von unterschiedlichen
Zeitpunkten herangezogen, um über die multitemporale
Information exaktere Klassifizierungsergebnisse der
Oberflächentypen zu gewinnen. Das neuentwickelte
multitemporale Verfahren, das die zeitliche Komponente
mittels a priori Wissens in einen Maximum-Likelihood-
Ansatz einbindet, wird im Projekt mit anderen Standard-
Klassifizierungsmethoden verglichen. Abb. 1.52
verdeutlicht die Vorteile des neuen Ansatzes. Neben
einer insgesamt stärkeren Homogenisierung des
Ergebnisses werden mit Hilfe der temporalen
Information eindeutige Entscheidungen über zeitab-
Abb. 1.53: Schema zur Extraktion von Häusern aus Daten des
Satellitensensors IKONOS
Scheme for extraction of buildings from IKONOS satellite remote sensing
data
hängige Klassen (Fruchtfolge 1, Fruchtfolge 2) erst
möglich. Feldarbeiten vor Ort dienen dazu, die
Trainingsgebiete für die halbautomatischen Verfahren
zu verifizieren und Informationen über Veränderungen
im Testgebiet während des betreffenden Zeitraums zu
sammeln. Die Erkenntnisse des Feldeinsatzes werden in
die Untersuchung einbezogen und auf diese Weise die
Klassifizierungsmethoden in der weiteren Projektarbeit
noch eingehender analysiert und verfeinert.
Innerhalb des Clusters "Risikoanalyse Erdbeben" wird
im TP C1 untersucht, inwieweit eine automatische
Extraktion von Häusern aus Satellitendaten möglich ist.
Dazu werden Daten des wegen seiner räumlichen
Auflösung einzig in Frage kommenden Satelliten
IKONOS eingesetzt. Diese Daten wurden bereits gängigen
Bildverarbeitungs- und Objekterkennungsmethoden
unterzogen, wobei sich die Grenzen der Standardverfahren
aufgrund z.B. der Objektvielfalt und des oftmals
fehlenden Kontrasts zu angrenzenden Objekten herauskristallisierten.
Daher wurde ein neuer Ansatz
entwickelt, der die in den Bilddaten vorhandenen
Objektinformationen (Kontext- und Formwissen, z.B.
die Position von Schatten) optimal nutzt, um eine
Erkennung von Häusern in den Bildern trotz der genannten
Schwierigkeiten zu erreichen. Die Entwicklung des
Verfahrens dauert derzeit noch an, jedoch zeigt Abb.
1.53 die grundlegende Vorgehensweise des aktuell
vorgeschlagenen Ansatzes.
Die rezenten Plattenbewegungen machen Zentralasien
zu einem geodynamisch hoch aktiven Gebiet. Die damit
verbundene Auffaltung der jungen Gebirge (Tienshan,
Pamir) ist mit starker seismischer Aktivität, Hebungen,
Krustendeformationen und Massenbewegungen verbunden,
die sich besonders in Kirgistan im Randbereich des
Fergana-Beckens in katastrophalen Hangrutschungen
äußern. Sie bedrohen wichtigen Lebensraum und
fordern jedes Jahr Menschenleben. Aufgrund ihres
weiträumigen Auftretens (Abb. 1.54) besteht ein hoher
Bedarf an der Entwicklung von effektiven
Methoden für eine Gefährdungseinschätzung
im regionalen Maßstab.
Ziel der Forschungsarbeiten ist die
Entwicklung von methodischen Ansätzen
zur Nutzung der Satellitenfernerkundung
für eine räumlich differenzierte Bewertung
der Hangrutschungsgefährdung. Die bisher
in Kirgistan vorgenommene Gefährdungseinschätzung
konzentrierte sich vor
allem auf ingenieurgeologische (Lithologie,
Hangneigung) und meteorologischhydrologische
Einflussfaktoren (Hangexposition,
Niederschlag, Schneebedeckung,
Grundwassersituation).
181

182
Diese vorwiegend auf die Analyse von einzelnen
Hangrutschungen orientierten Untersuchungen erlaubten
jedoch keine fundierte regionale Gefährdungseinschätzung.
Der Einsatz moderner Fernerkundungsmethoden
ermöglichte erstmals eine detaillierte
und zugleich regionale Sicht auf Relief und
Strukturgeologie als wesentliche, Hangrutschungsprozesse
kontrollierende Faktoren, den bisher wenig
Bedeutung beigemessen wurde.
Diesem Zweck diente der Aufbau einer großräumigen
GIS-Datenbank auf der Basis von Daten optischer und
SAR-Satellitensysteme. Sie enthält neben Informationen
zu Hangrutschungen geologische Basisinformationen
und räumlich hochauflösende Digitale Geländemodelle
(DGM). Auf ihrer Grundlage werden visuelle und
numerische Ansätze zur kombinierten Analyse von fernerkundlichen
und anderweitig erhobenen Daten in
einem GIS entwickelt. Schwerpunkte sind dabei die
raum-zeitliche Inventarisierung von Rutschungsereignissen
sowie die räumlich differenzierte Charakterisierung
von terrestrischen Einflussfaktoren.
So ermöglichte die GIS-basierte Interpretation von
Satellitendaten (Landsat-TM, MOMS-2P) in Kombination
mit aus MOMS-2P-Daten abgeleitetem DGM
(Kooperation mit DLR) die Identifizierung rezent aktiv-
Abb. 1.54: Bruchtektonische Hauptstrukturen des Tienshan und
Hangrutschungsverteilung (Ausschnitt Landsat-TM/MSS Mosaik, R-G-B:
Kanäle 4-2-1)
Main tectonic structures of the Tienshan and areas of landslide activity (subset
of Landsat-TM/MSS mosaic, R-G-B: bands 4-2-1)
er regionaler und lokaler Bruchstrukturen. Ein Beispiel
ist die Scherzone bei Maili-Sai (Abb. 1.55), die ein
Parallelelement der bedeutenden Randbruchzone
darstellt, die das ältere konsolidierte Basement von der
jüngeren Struktur des Fergana-Beckens trennt. In dieser
komplexen Scherzone bilden sich sekundär NW-SO-
Weitungselemente, die das Auslösen von Hangrutschungen
räumlich kontrollieren. Analysen anderer
Testgebiete ergaben ähnliche Mechanismen, die in
Geländeuntersuchungen überprüft wurden. Aufbauend
auf diesen Ergebnissen sind zukünftige Arbeiten auf die
Entwicklung eines neuen bruchtektonischen Strukturmodells
für den gesamten Ostrand des Fergana-Beckens
ausgerichtet.
Im Rahmen der Reliefanalyse wurde das DGM auf sein
Potential zur automatischen Extraktion von geomorphologischen
Strukturen analysiert. Diese Untersuchungen
dienen der Entwicklung von GIS-basierten
Ansätzen zur faktorbezogenen Gefährdungseinschätzung.
Die extrahierten morphologischen Strukturen
(Abb. 1.56) spiegeln den gegenwärtigen Stand der
Reliefentwicklung wieder und sind Ausdruck des
Zusammenspiels von tektonischer Aktivität und
Erosion, das zu einem charakteristischen räumlichen
Muster von Tiefen- und Kammlinien führt. Die halbkreisförmige
Struktur des abgebildeten Beispiels wird
als das Resultat großer Massenbewegungen
in der Vergangenheit
interpretiert. Diese Altstruktur liegt
im Einflussbereich einer NW-SOstreichenden
rechtsseitigen strikeslip-Zone,
die unter dem derzeitigen
Spannungsregime aktiv ist. Die
extrahierten Strukturen repräsentieren
Informationen, die visuell in
dieser Form weder aus dem DGM
noch aus den multispektralen
Fernerkundungsdaten ableitbar
sind.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse
ergeben sich neue Möglichkeiten
für eine regionale Einschätzung
der Hangrutschungsgefährdung
auf dem Weg GIS-basierter Faktorenanalyse.
Dabei ist das Ziel
eine flächenhaft differenzierte
Ausweisung von Bereichen mit
starker Hangrutschungsgefährdung.
Daraus ergeben sich neue
Handlungsspielräume für den
Katastrophenschutz und die Raumplanung.

Abb. 1.55: Perspektivische Darstellung auf der Basis
des MOMS-2P DGM und Orthobilddaten: Strukturelle
Kontrolle des Hangrutschungsregimes bei Maili-Sai
Perspective visualization using MOMS-2P DEM and
orthoimage: Structural control of landslide activity in
the Maili-Sai area
Die Technik der SAR-Interferometrie bietet
Möglichkeiten, digitale Geländemodelle (DGM)
herzustellen und kleine Bodendeformationen zu detektieren.
Vom 7. März 1999 bis zum 2. Juli 1999 hat das
GFZ eine INSAR-Kampagne mit einer Mobile SAR
Receiving Station in Kitab (Usbekistan) durchgeführt.
Ziel der Kampagne war es, neben der Aufnahme und
Archivierung der ERS-1/2 Radardaten eine sogenannte
Near-Real-Time SAR- und INSAR-Datenprozessierung
im Feld zu testen. In dem Kampagnenzeitraum von drei
Monaten wurde ein großes Areal von 1000 km mal
2000 km in Zentralasien (70°- 90° O / 32°- 42° N)
akquiriert. Jeden Tag wurden in der Bodenstation 20
Interferogramme und 10 differentielle Interferogramme
produziert. Die Interferogramme stehen somit zur
Generierung von DHMs zur Verfügung. Basierend auf
den differentiellen Interferogrammen können kleinste
Bodendeformationen near-real-time detektiert werden
und somit die Instabilität der Bodenoberfläche
überwacht werden.
Eine Besonderheit aus technischer Sicht stellt die häufige
Nichtparallelität der Orbits mit Abweichungen von
bis zu 10 Metern dar, die nicht mit Standardverfahren
der SAR-Interferometrie ausgewertet werden können.
Dies erforderte die Entwicklung neuer Verfahren zur
Coregistrierung der Datensätze und zur Bestimmung der
Fringefrequenzen. Der hohe Vegetationsanteil in den
untersuchten Gebieten Zentralasiens erschwert weiterhin
den Prozess des Phase Unwrapping. Durch
Einbeziehung von Klassifizierungsergebnissen der
Oberfläche und eines sogenannten Minimum Cost Flow
Approaches konnten erstmals gute Ergebnisse erzielt
werden.
Abb. 1.56: Automatische Extraktion geomorphologischer Strukturen aus MOMS-2P DGM
Automatic extraction of geomorphological structures from MOMS-2P DEM
Abb. 1.57 zeigt die Ergebnisse des D-INSAR-
Prozessors für Urumqi, der Hauptstadt des Uigurischen
Autonomen Gebietes Xinjiang (China). Im Norden von
Urumqi befindet sich ein Becken - Junggar Pendi und
im Süden steigt das Tienshan-Gebirge an. Die durchschnittliche
Höhe von Urumqi liegt bei etwa 800 Meter.
Abb. 1.57a zeigt das Intensitätsbild. Das Höhenmodell
des Gebiets (Abb. 1.57b) ist mit dem Tandempaar
40234/20564 vom 26. und 27. März 1999 berechnet
worden. Abb. 1.57c zeigt eine 3D-Perspektive des
Gebietes zur Verdeutlichung der topographischen
Charakteristik des Gebiets. Ein zweiter Schwerpunkt der
INSAR-Kampagne ist die Überwachung kleiner temporaler
Änderungen oder Bewegungen der Bodenoberfläche.
Dazu ist ein weiterer Datensatz (Orbit 21065),
der 35 Tage später aufgenommen wurde, ausgewählt
worden. Der D-INSAR-Prozesor hat die Topographie
des Gebiets von dem Interferogramm zwischen Orbit
21065 und 20564 subtrahiert und liefert somit das differentielle
Interferogramm (Abb. 1.57d). Es zeigt, dass
in den 35 Tagen zwischen den Aufnahmezeitpunkten
keine mit Krustendeformationen in Zusammenhang stehenden
großräumigen Veränderungen stattgefunden
haben. In dem D-Interferogramm sind jedoch viele
kleinräumige temporale Änderungen zu sehen.
Mögliche Ursachen sind Vegetationswachstum, Veränderung
der Bodenfeuchte oder Wasserbewegungen. 183

184
Abb. 1.57: (a) Intensität, (b) Höhenmodell von Urumqi, (c) 3D-Perspektive und (d) D-Interferogramm
(a) Intensity, (b) elevation model of Urumqi, (c) 3D-perspective and (d) D-interferogram