Europa erlebt seit Jahren eine schwere Dürre. Auf dem gesamten Kontinent ist der Grundwasserspiegel seit 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen zeitweilig ein anderes Bild vermitteln.
Den Beginn dieser angespannten Situation belegt eine Publikation von Eva Boergens in Geophysical Research Letters aus dem Jahr 2020. Darin stellte sie fest, dass es in den Sommermonaten 2018 und 2019 einen eklatanten Wassermangel in Zentraleuropa gab. Seit damals gab es keinen signifikanten Anstieg der Grundwasserspiegel, die Pegel sind konstant niedrig. Das zeigen Datenauswertungen von Torsten Mayer-Gürr und Andreas Kvas vom Institut für Geodäsie an der TU Graz. Sie beobachteten im Rahmen des EU-Projekts Global Gravity-based Groundwater Product (G3P) mittels Satellitengravimetrie die weltweiten Grundwasservorkommen und dokumentierten deren Veränderungen in den vergangenen Jahren.
Weitreichende Folgen
Die Auswirkungen dieser langanhaltenden Dürre waren in Europa im Sommer 2022 evident. Trockene Flussbetten, stehende Gewässer, die zusehends verschwanden und damit einhergehend zahlreiche Auswirkungen auf Natur und Mensch. Nicht nur, dass zahlreiche Wasserlebewesen ihren Lebensraum verloren und trockene Böden der Landwirtschaft viele Probleme bereiteten, auch die Energieknappheit in Europa hat sich dadurch verschärft. Für Atomkraftwerke in Frankreich fehlte das Kühlwasser, um genügend Strom erzeugen zu können und Wasserkraftwerke konnten ohne ausreichend Wasser ihre Funktion ebenfalls nicht erfüllen.
Grundwassermessung aus dem Weltall
Wie können die Geodätinnen und Geodäten an der TU Graz mit Daten aus dem Weltall genaue Aussagen über die Grundwasserspeicher tätigen? Kernstück des Projekts G3P sind Zwillingssatelliten namens Tom und Jerry, die in einer polaren Umlaufbahn in knapp 490 Kilometern Höhe die Erde umkreisen. Wichtig ist der Abstand zwischen den Satelliten von rund 200 Kilometern: Der hintere darf den vorderen nicht einholen, weswegen sie in Anlehnung an die Cartoon-Figuren auch die Bezeichnung Tom und Jerry erhalten haben.
Die Distanz zwischen den Satelliten wird laufend genau gemessen. Fliegen sie über einen Berg, dann ist der vordere Satellit aufgrund der erhöhten Masse unter ihm zunächst einmal schneller als der hintere. Hat er den Berg passiert, bremst er wieder leicht ab, dafür beschleunigt der hintere Satellit, sobald er den Berg erreicht. Sind beide jenseits des Berges, relativiert sich die Geschwindigkeit wieder. Diese Distanzänderungen über großen Massen sind die Hauptmessgrößen für die Bestimmung des Erdschwerefeldes und werden mikrometergenau bestimmt. Zum Vergleich: Ein Haar ist in etwa 50 Mikrometer dick.
Monatliche Schwerekarte der Erde
Das alles geschieht bei einer Fluggeschwindigkeit von rund 30.000 km/h. So schaffen die beiden Satelliten 15 Erdumläufe am Tag, womit sie nach einem Monat eine komplette Abdeckung der Erdoberfläche erreichen. Das bedeutet wiederum, dass die TU Graz jeden Monat eine Schwerekarte der Erde liefern kann. „Die Prozessierung und der Rechenaufwand sind hier ziemlich groß. Wir haben alle fünf Sekunden eine Abstandsmessung und damit etwa eine halbe Million Messungen pro Monat. Daraus bestimmen wir dann Schwerefeldkarten.“, sagt Torsten Mayer-Gürr.
Masse minus Masse ergibt Masse
Mit der Schwerekarte ist die Menge des Grundwassers allerdings noch nicht ermittelt. Denn die Satelliten zeigen alle Massenänderungen an und machen keinen Unterschied zwischen Meer, Seen oder Grundwasser. Dafür braucht es die Kooperation mit allen anderen Partnern des EU-Projekts G3P. Torsten Mayer-Gürr und sein Team liefern die Gesamtmasse, davon werden dann die Massenänderungen in den Flüssen und den Seen abgezogen, die Bodenfeuchte, der Schnee und das Eis wird ebenfalls subtrahiert und letztendlich bleibt das Grundwasser übrig.
Für jede dieser anderen Massen gibt es eigene Expertinnen und Experten, die hier ihre Daten einbringen. Diese sitzen neben Österreich (TU Graz, TU Wien, Earth Observation Data Center EODC) in Deutschland (GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam), der Schweiz (Universität Bern, Universität Zürich), Frankreich (Collection Localisation Satellites CLS, Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales LEGOS, Magellium), Spanien (FutureWater), Finnland (Finnish Meteorological Institute) und in den Niederlanden (International Groundwater Resources Assessment Centre IGRAC).
Europa hat ein Wasserproblem
Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit zeigt, dass die Wassersituation in Europa mittlerweile sehr prekär geworden ist. Torsten Mayer-Gürr hatte dies in so einem Ausmaß nicht erwartet. „Ich hätte mir vor ein paar Jahren nicht gedacht, dass Wasser hier in Europa einmal ein Problem sein könnte, vor allem in Deutschland oder Österreich. Wir kriegen hier tatsächlich Probleme mit der Wasserversorgung, da müssen wir uns Gedanken machen“, erklärt er. Aus seiner Sicht ist es zunächst einmal notwendig, die sich fortsetzende Dürre auch mit Daten belegen zu können und fortlaufende Satellitenmission dazu im All zu haben.
Die europäische Weltraumagentur ESA und ihr US-Pendant NASA werden diese Forschungen mit dem Projekt MAGIC (Mass-change And Geoscience International Constellation) fortsetzen. Bei der Datenauswertung wird die TU Graz wieder mit an Bord sein.
Weitere Informationen zur Satellitengeodäsie im Artikel „Katze jagt Maus im All“
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