D4 Meeresspiegelmessung

Thema

Die Meeresspiegelmessung kombiniert zwei sich ergänzende Datenquellen: Küstenpegel, die eine sehr langfristige lokale Aufzeichnung liefern, und Satellitenaltimetrie, die eine globale Abdeckung bietet. Pegelmessstationen sind Instrumente mit über 150-jähriger Geschichte, die entweder den Gesamtwasserdruck auf den Sensor selbst oder die Höhe der Meeresoberfläche messen. Ein globales Referenznetzwerk umfasst fast 300 solcher Stationen entlang der Küsten weltweit. Die harmonische Analyse der von diesen Pegelmessstationen erzeugten Meeresspiegeldaten ermöglicht es, das Gezeitensignal – die Summe mehrerer perfekt vorhersagbarer astronomischer Komponenten – vom nicht-gezeitenbedingten Restsignal zu trennen. Dieses Restsignal erfasst sowohl meteorologische Schwankungen als auch längerfristige Trends. Diese Trennung ermöglicht es, eine einzelne Pegelmessreihe sowohl zur Vorhersage der Gezeiten von morgen als auch zur Messung des Klimawandels in den kommenden Jahrzehnten zu verwenden.

Die Satellitenaltimetrie ihrerseits misst die Entfernung zwischen Satellit und Meeresoberfläche mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Zentimetern mithilfe eines Radaraltimeters, das Impulse im Ku-Band mit einer Frequenz von etwa 13,6 Gigahertz aussendet. Die Differenz zwischen der mit hoher Präzision bekannten Satellitenbahn relativ zu einem geozentrischen Referenzellipsoid und dem gemessenen Abstand zur Erdoberfläche ermöglicht die Berechnung des Meeresspiegels an jedem beliebigen Punkt. Bevor dieses Endergebnis erreicht werden kann, müssen jedoch verschiedene Effekte korrigiert werden: die Verzögerung durch freie Elektronen in der Ionosphäre, die Verzögerung durch Wasserdampf und trockene Luft in der Troposphäre sowie der Einfluss des Seegangs auf das reflektierte Signal. Durch die Kombination von Daten aufeinanderfolgender Satelliten mit mehrjährigen Überlappungen entsteht eine gleichmäßige und kontinuierliche Reihe von Meeresspiegeldaten, die von 1993 bis heute reicht.

Die Trennung zwischen dem Gezeitensignal und dem zuvor erwähnten Restsignal ist der Kern dieser gesamten Messung: Mithilfe einer harmonischen Analyse wird der beobachteten Datenreihe ein Satz von Komponenten mit fester Amplitude und Phase zugeordnet, die jeweils einem bestimmten astronomischen Zyklus zugeordnet sind. Was nach Abzug dieser Gezeitenkomponenten verbleibt, ist der Residuenwert. Dieser Residuenwert ermöglicht es uns, meteorologische Schwankungen durch Tiefdruckgebiete und Wind, saisonale Schwankungen, zwischenjährliche Schwankungen im Zusammenhang mit der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) und der Atlantischen Multidekaden-Oszillation (AMO) sowie langfristige Meeresspiegelentwicklungen zu unterscheiden.

An den meisten Küsten weltweit dominieren erwartungsgemäß zwei Komponenten deutlich: die Hauptkomponente des halbtägigen Mondzyklus und die Hauptkomponente der Sonnenaktivität. Deren Amplituden und Phasen lassen sich bereits nach ein bis zwei Jahren kontinuierlicher Aufzeichnung sehr genau bestimmen. Dies macht es praktisch möglich, die Gezeiten an jeder Küste mit sehr kurzer Vorbeobachtungszeit vorherzusagen. So wird bei der Messung des Meeresspiegels, von dem Pegel, der die Küste seit mehr als einem Jahrhundert aufzeichnet, bis hin zum Satelliten, der die gleiche Höhe aus dem Weltraum misst, über die harmonische Analyse, die die vorhersehbare Gezeit vom Rest trennt, letztendlich mit sehr unterschiedlichen Methoden die gleiche Meereshöhe rekonstruiert, die aus astronomischen, meteorologischen und klimatischen Gründen steigt und fällt.

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