GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung

Aufgabe, Einordnung und Organisation

Das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung ist das nationale Forschungszentrum für Geowissenschaften in Deutschland. Es untersucht das System Erde, insbesondere die Dynamik des Erdinneren und der Erdoberfläche, und entwickelt daraus Grundlagen für den Umgang mit globalem Wandel, Naturgefahren und der nachhaltigen Nutzung des Untergrunds. Der Standort liegt im Wissenschaftspark Albert Einstein auf dem Potsdamer Telegrafenberg.

Das GFZ ist eine Stiftung öffentlichen Rechts des Landes Brandenburg und Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Die Zuwendungen kommen zu 90 % vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und zu 10 % vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg. Es wurde am 1. Januar 1992 gegründet. Die Einrichtung hieß bis zum 16. Juni 2008 GeoForschungsZentrum Potsdam und bis zum 31. Dezember 2024 Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum.

Für 2026 werden ein institutioneller Haushalt von 83,2 Mio. € und ein Gesamtetat von 123,4 Mio. € angegeben; darin enthalten sind 40,2 Mio. € Drittmittel. 2025 hatte das GFZ einschließlich RIFS 1.637 Mitarbeitende. Wissenschaftliche Vorständin ist Susanne Buiter, administrativer Vorstand Lars-Christian Klinnert.

Das GFZ steht in der Tradition geowissenschaftlicher Institute auf dem Telegrafenberg. Dazu gehörten das Zentralinstitut für Physik der Erde und das Königlich Preußische Geodätische Institut, später Geodätisches Institut Potsdam. Unter Friedrich Robert Helmert, der von 1886 bis 1917 Direktor war, wurde Potsdam zu einem Zentrum der wissenschaftlichen Geodäsie, also der Vermessung und Darstellung der Erde. Der 1909 ermittelte „Potsdamer Schwerewert“ war von 1909 bis 1971 internationaler Referenzwert für die Erdanziehung.

Forschungsbereiche und Fachabteilungen

Das GFZ ist in fünf Departments gegliedert, die wiederum aus Sektionen bestehen. Seit Anfang 2023 gehört außerdem das Forschungsinstitut für Nachhaltigkeit am GFZ (RIFS) als sechste wissenschaftliche Organisationseinheit dazu. Die übergeordneten Forschungsschwerpunkte sind die Struktur und Dynamik der Erde, Erdbeobachtung, Risikoanalyse für Naturgefahren sowie Energiewende und Klimawandel.

Department 1 Geodäsie quantifiziert den Zustand und die Veränderungen des dynamischen Erdsystems. Es untersucht unter anderem Figur, Rotation und räumliche Orientierung der Erde sowie ihr Gravitationsfeld. Dazu werden Satelliten, bodengestützte Erdbeobachtung, Modellierung und Datenanalyse verbunden. Themen sind geodätische Weltraumverfahren, globales Geomonitoring, Schwerefeld, Erdsystemmodellierung, Fernerkundung von Erdoberfläche und Ökosystemen sowie Weltraumwetter und Weltraumphysik.

Department 2 Geophysik untersucht Geoprozesse vom tiefen Erdinneren bis in den erdnahen Weltraum. Es erforscht Erdbeben, vulkanische Prozesse, Plattengrenzen, Geodynamik, das Erdmagnetfeld und die Magnetosphäre. Zu seinen Aufgaben gehören geophysikalische Tiefensondierung, Gefahren- und Risikomodelle, globale seismologische Überwachung, Tsunami-Frühwarnung und der Betrieb des Erdbebenmonitoringdienstes GEOFON. Das Department beteiligt sich außerdem an Satellitenmissionen zur Beobachtung des Magnetfeldes und betreibt Europas größten Gerätepool für geophysikalische Feldausrüstung.

Department 3 Geochemie untersucht geochemische und mikrobielle Prozesse sowie anorganische, organische und biogeochemische Stoffkreisläufe über große Tiefen und geologische Zeiträume. Themen sind unter anderem Isotopen- und Grenzflächengeochemie, Geomaterialien, Geomikrobiologie, Leben unter extremen Bedingungen, Mineral- und Kohlenwasserstoffressourcen sowie die Geochemie nuklearer Endlagerung.

Department 4 Geosysteme erforscht die Wechselwirkungen zwischen fester Erde, Atmosphäre und Hydrosphäre sowie die menschliche Nutzung des Untergrunds. Es untersucht Lithosphärendynamik, Geomechanik, Rheologie, Geothermie, Sedimentbecken, Landschaftsentwicklung, Klimadynamik, Hydrogeologie, Hochwasser und die Speicherung von Wärme, Wasserstoff und CO₂.

Department 5 Geoinformation stellt Forschungsdaten und Publikationen bereit und entwickelt Forschungsdateninfrastrukturen, Research Software Engineering, eScience-Plattformen und Digitale Zwillinge. Der DataHub des Helmholtz-Forschungsbereichs Erde und Umwelt verbindet Datenrepositorien und Dienste. Zum Department gehören unter anderem Bibliothek, Informationsdienste, eScience-Zentrum sowie IT-Service und IT-Betrieb.

Nachhaltigkeit und gemeinsames Forschungsprogramm

Das RIFS erforscht, zeigt auf und unterstützt Entwicklungspfade hin zu einer nachhaltigen Gesellschaft. Sein Ansatz ist transdisziplinär, transformativ und ko-kreativ: Gemeinsam mit Wissenschaft, Politik, Kommunalverwaltungen, Wirtschaft und Zivilgesellschaft werden getragene Lösungen entwickelt. Zentrale Themen sind Energiewende, neue Technologien, Klimawandel, Luftqualität, systemische Risiken, Governance und Partizipation sowie Kulturen der Transformation im Anthropozän.

Das Helmholtz-Programm „Changing Earth – Sustaining our Future“ läuft von 2021 bis 2027. Es untersucht Veränderungen des Erdsystems, die unter anderem durch Klimawandel, Biodiversitätsverluste, Umweltverschmutzung und geologische Gefahren ausgelöst werden. Ziel sind wissenschaftliche Grundlagen für ein besseres Verständnis komplexer Prozesse und für fundierte Entscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft.

Sieben Helmholtz-Zentren arbeiten im Forschungsbereich „Erde & Umwelt“ zusammen. Der interdisziplinäre Ansatz reicht von der Atmosphäre bis zur Landoberfläche, von den Ozeanen bis zu den Polarregionen und vom tiefen Erdinneren bis zur oberen Atmosphäre. Das Programm umfasst neun Topics, Querschnittsaktivitäten und Allianzen. Das GFZ koordiniert „Ruhelose Erde“ und „Georessourcen“ und beteiligt sich an „Die Atmosphäre im Globalen Wandel“, „Ozeane und Kryosphäre im Klimawandel“ sowie „Landschaften der Zukunft“. Gemeinsame Forschungsinfrastrukturen und die Wissenstransferplattform „SynCom“ unterstützen Datennutzung, Vermittlung und den Dialog mit gesellschaftlichen Akteuren.

Satelliten und Erdbeobachtung

Das GFZ entwickelt und nutzt Satelliten, um das Erdschwerefeld, das Magnetfeld, die Erdoberfläche und Umweltveränderungen zu beobachten. GFZ-1 wurde 1992 als kleiner Laser- und Forschungssatellit für Satellitentriangulation und Schwerefeldmessungen gestartet. Er flog in 400 km Höhe, wog 21 kg und besaß 60 passive Retroreflektoren. Am 23. Juni 1999 verglühte er während Umlauf Nr. 23.718.

CHAMP wurde im August 2000 gestartet und diente verfeinerten Messungen des Erdschwere- und Magnetfeldes sowie der Sonnenaktivität. Die beiden GRACE-Satelliten flogen ab 2002 auf derselben Umlaufbahn in etwa 220 km Abstand. Mit Mikrowellen maßen sie ihre Entfernung und Dopplerverschiebung; dieses Verfahren heißt Satellite-to-Satellite Tracking. Daraus wurde ein sehr genaues, über etwa 100 × 200 km geglättetes Schwerefeld bestimmt. GRACE lief von 2002 bis 2017.

GRACE-FO wurde am 22. Mai 2018 gestartet und setzt die Messungen fort. Die Missionen erfassen monatliche Veränderungen des Wasserhaushalts, unter anderem Grundwasser, Masseänderungen der Eisschilde in Grönland und der Arktis, Hochwasser- und Dürreperioden, ozeanischen Bodendruck und geodynamische Prozesse. GRACE-FO erprobt außerdem ein Laser Ranging Interferometer mit 20 Nanometern Auflösung.

EnMAP startete am 1. April 2022. Der Satellit untersucht mit zwei abbildenden Spektrometern Vegetation, Gewässer und Böden. Die Spektralbereiche reichen von 420 bis 1000 nm (VNIR) und von 900 bis 2450 nm (SWIR); sie sind in 246 Spektralbänder aufgeteilt. EnMAP beobachtet aus 650 km Höhe mit 30 × 30 m Bodenauflösung. Der Satellit ist 3 × 2,1 × 1,5 m groß, wiegt etwa 850 kg und stellt seine Daten kostenlos bereit.

Forschungs- und Datendienste

GEOFON ist ein globales seismologisches Netzwerk zur Erfassung und Analyse von Erdbeben. Der Earthquake Explorer stellt seit August 2007 weltweit Erdbebeninformationen über eine interaktive Karte, Filter und API-Schnittstellen bereit. Angezeigt werden Position und Magnitude, Momenttensoren stärkerer Beben sowie prognostizierte ShakeMaps, die intensive Bodenbewegungen anhand seismischer und geologischer Daten beschreiben.

Beim Weltraumwetter untersucht das GFZ Bedingungen auf der Sonne, im Sonnenwind sowie in Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre. Diese können technische Systeme im All und am Boden beeinflussen. Das GFZ stellt als Teil des ESA Space Safety Programme aktuell 18 Datenprodukte in den Expert Service Centres für Ionospheric Weather und Geomagnetic Conditions bereit. Als einzige Institution in Deutschland ermittelt es die planetarische Kennziffer Kp, ein Maß für den Energieeintrag des Sonnenwinds in das System Erde.

GravIS visualisiert Daten der Missionen GRACE und GRACE-FO und macht Massentransporte in Atmosphäre, Ozeanen, kontinentalen Wasserspeichern und Eismassen sichtbar. Das GFZ betreibt den Dienst mit dem Alfred-Wegener-Institut und der Technischen Universität Dresden; aufbereitete Produkte sind über das Information System and Data Center verfügbar.

Die seit 2009 am GFZ koordinierte World Stress Map enthält etwa 100.000 Datenpunkte zu tektonischen Spannungen der Erdkruste. Die Daten und Karte sind frei verfügbar und dienen unter anderem dem Verständnis von Plattentektonik und Erdbebenzyklen sowie der sicheren Nutzung des Untergrunds, etwa für Geothermiebohrungen und die Einlagerung radioaktiver Abfälle. Außerdem betreut das GFZ die Globale Wärmestrom-Datenbank mit qualitätsgesicherten Daten zum Wärmestrom aus der Erdkruste. RIM2D („Risk Mapping with 2D Hydrodynamic Simulation“) erstellt hochauflösende 2D-Simulationen für fluviale und pluviale Hochwasser und berücksichtigt auch urbane Entwässerungssysteme.

Tsunami-Frühwarnung

Von 2005 bis 2011 entwickelte das GFZ mit Partnern das deutsche-indonesische Tsunami-Frühwarnsystem GITEWS für Indonesien und den östlichen Indischen Ozean. Es verbindet Erdbebenstationen, GPS- und Küstenpegel sowie Druckmesser am Meeresboden. Die Daten werden per Satellit an ein Frühwarnzentrum übermittelt. Das GPS-Shield, ein dichtes Netz von GPS-Stationen, machte das ursprünglich vorgesehene Bojenkonzept entbehrlich, weil küstennahe Bojen einen hohen Wartungsaufwand verursachten.

Das Bundesforschungsministerium stellte im Mai 2005 45 Mio. Euro bereit. Am 29. März 2011 wurde GITEWS an Indonesien übergeben und bildet seitdem die Kernstruktur des indonesischen Systems InaTEWS. Das Nachfolgeprojekt PROTECTS unterstützte den Betrieb durch Ausbildung, Training und wissenschaftliche Beratung; nach seinem Abschluss im März 2014 sollte Indonesien das System nachhaltig betreiben können.

Das Warnsystem registrierte und bewertete viele Tausend Beben und warnte vor gut einem Dutzend Tsunamis erfolgreich. Grenzen bestehen, wenn Wellen nur wenige Minuten nach dem Beben die Küste erreichen, wie beim Mentawei-Tsunami 2010 und beim Palu-Tsunami 2018. Der Tsunami von 2018 durch den Flankenabrutsch des Vulkans Krakatau wurde nicht erkannt, weil kein starkes Erdbeben damit verbunden war.

Auf europäischer Ebene war das GFZ an DEWS im 6. EU-Forschungsrahmenprogramm mit 6,1 Mio. Euro Projektkosten und an TRIDEC im 7. EU-Forschungsrahmenprogramm mit 8,9 Mio. Euro Projektkosten beteiligt. Ergebnisse zu Tsunami-Frühwarnsystemen wurden auf der Expo 2012 ausgestellt.