Schwerefeldmissionen als Beitrag zur Erdsystemforschung

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1 Schwerefeldmissionen als Beitrag zur Erdsystemforschung Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München 1

2 Einleitung & Motivation Ozean. Transport Ozeanzirkulation Massen- and wärmetransp. Meereshöhenschwankung Massen- & Volumenänd. Klimaänderung Atmosphär. Einträge Interaktion mit Ozeanen anthropogene vs. natürl. Beiträge Eismassenvariation Schnee-/Eisdicken Eisdynamik Interaktion mit Ozeanen Dynamik von Mantel und Kruste Mantelkonvektion, Plumes Lithosphärenmodellierung Isostasie & Geoid-Effekte Hydrologischer Zyklus Kontinentales Wasserbudget Interaktion Ozean, Atmosphäre Wasserhaushalt global/regional 2

3 Einleitung & Motivation Solid Earth processes Tectonics Earthquakes Volcanism Isostatic adj. Hydro-, cryo-, atmosphere Precip./evap. Water storage Deglaciation Ocean currents Geometry and Kinematics - point positions - sea surface - GNSS - SLR - VLBI - Altimetry Orientation & rotation - nutation - polar motion - LOD - UT1 Gravity (variations) - static - temporal - terrestrial gr. - satellite gravity 3

4 Einleitung & Motivation Geometrie Geometry and Kinematics - point positions - sea surface - GNSS - SLR - VLBI - Altimetry Trägheitsmomente Consistent reference systems Consistent modelling Masse Orientation & rotation - nutation - polar motion - LOD - UT1 Zeit Gravity (variations) - static - temporal - terrestrial gr. - satellite gravity 4

5 Einleitung & Motivation GRACE: Veränderungen im Wasserhaushalt 5

6 Einleitung & Motivation GRACE Resultate: Hydrologie Hydrologische Massenveränderung Äquivalente Wasserhöhe [cm] (Mayer-Gürr, 2009) 6

7 Einleitung & Motivation Emergence of long-term trends in water storage Interannual variations and emerging trends from GRACE, Famiglietti, 2009

8 Einleitung & Motivation GRACE Resultate: Kryosphäre

9 Einleitung & Motivation GRACE: Eismassenveränderungen in Grönland Änderungen (equivalent water height) in Grönland (Feb Jan) aus GRACE- Daten (Wouters et al., 2008) (Velicogna et al, 2009) ca. 160 Gt pro Jahr 9

10 Einleitung & Motivation GRACE Resultate: Geophysik Sumatra Erdbeben, Dezember 2004 Veränderungen im Schwerefeld durch vertikale Plattenbewegung

11 Einleitung & Motivation sind ein einzigartiges Beobachtungssystem für das Monitoring von Massenveränderungen im System Erde. Eine globale Beobachtung von Massentransporten ermöglicht, die Austauschprozesse zwischen den Sub-Systemen konsistent zu erfassen und zu modellieren. 11

12 Wissenschaftliche Fragestellungen Einleitung & Motivation Separation der geophysikalischen Signale V ( r ) G mit l r v r ' ( r ') l dv Kombination von komplementären Datentypen aus unterschiedlichen Datenquellen Modellierung von Massentransporten (Massenerhaltung!) (Quelle: Rummel et al., 2003) 12

13 Inhalte Inhalte (GRACE, GOCE): Status eigene Forschungsbeiträge Zukünftige eigene Forschungsbeiträge Forschungsthemen 13

14 Status: GRACE & GOCE CHAMP (2000) CHAllenging Minisatellit Payload GRACE (2002) Gravity Recovery And Climate Experiment Satelliten- Schwerefeldmissionen Status GOCE (2009) Gravity Field & Steady-state Ocean Circulation Explorer 14

15 GRACE Status: GRACE & GOCE Missionsparameter Start: März 2002 (Plesetsk) Orbitinklination: i = 89 Initialhöhe: 485 km; heute: ca. 440 km Messperiode: bis 2014/15? Distanz zwischen Satelliten: ca. 200 km (Mikrowellen-Verbindung) Missionsziele Statisches Erdschwerefeld Zeitliche Variationen des Schwerefeldes (Hydrologie, Eismassen, Ozeane, ) Atmosphäre (Radiookkultation)

16 Status: GRACE & GOCE GRACE Resultate: Statisches Schwerefeld Statisches Schwerefeldmodell EIGEN-5C Kombinationsmodell GRACE + CHAMP + terrestrische und Altimetrie-Daten Grad/Ordnung 360 Genauigkeit: Geoid: 30 cm Schwereanomalien: 8 mgal bei Grad/Ordnung 200 (=100 km halbe Wellenlänge)

17 GRACE Resultate: zeitvariables Schwerefeld Problem: striping : Filterung erforderlich! Filter-Wellenlänge: km Status: GRACE & GOCE

18 Status: GRACE & GOCE GOCE Missionsparameter Start: 17. März 2009 (Plesetsk) Orbitinklination: i = 96.5 (sonnensynchron) Orbithöhe: ca. 255 km Innovationen Gradiometer (weltweit erstmals gebaut und eingesetzt) DFAC (Drag-Free & Attitude Control) extrem niedrige Flughöhe

19 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE Eigene Arbeiten 19

20 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE GOCE High-level Processing Facility (HPF) Ziel: Operationelle Auswertung der GOCE-Daten und Berechnung von globalen Erdschwerefeldmodellen Auftraggeber: ESA Kooperationspartner: 10 Europäische Universitäts- und Forschungsinstitute (EGG-C) Eigene Beiträge: Leitung und Management des Projekts (PI: R. Rummel) Vorprozessierung von Gradiometermessungen / externe Kalibrierung Bahnbestimmung aus GPS Schwerefeldmodellierung Validierung von Schwerefeldmodellen

21 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE GOCE Orbit SLR-Validierung Validierung mit externer, unabhängiger Information ~ 2.5 cm 21

22 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE GOCE Schwerefeldlösung Schwereanomalien: Differenzen [mgal] (Grad/Ordnung 200: 100 km räumliche Wellenlänge) zu EGM2008 EIGEN-5C mgal mgal 22

23 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE GOCE Schwerefeldlösung GOCE ( 2 Monate) vs. GRACE (ITG2010s: ~8 Jahre) D/O SchwereanomalieDifferenzen mgal Goße Konsistenz mit GRACE bis Grad/Ordnung 150! GOCE überholt GRACE ca. ab Grad 150! Dieser Schnittpunkt wird mit zunehmender Menge an GOCE-Daten signifikant in Richtung niedrigerer Grade gehen. 23

24 Mean Signal per Degree / Degree Error Median Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE GOCE Schwerefeldlösung (Quick-look) Mittleres Signal / mittlere Genauigkeit pro Grad absolutes Signal Mean Signal QL GOCE Model Mean Signal Kaula Rule Error Median QL GOCE Model Error Median EIGEN-5S Error Median EIGEN-5C EIGEN-5S EIGEN-5C GOCE Degree 24

25 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE GOCE Schwerefeldlösung Validierung Geoidhöhen-Differenzen [cm]: RMS für 675 GPS/Nivellement-Stationen in Deutschland EIGEN-5C D/O 160 Degree QL GOCE EIGEN-5S EIGEN-5C GOCE-QL D/O m 25

26 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE Beiträge zur Level 1b-Prozessierung Beiträge zur GPS- und Gradiometrieauswertung des GOCE Payload Data Segment (ACS; ESA) Von Instrumentenzeitreihen zu Gradienten: - Common & differential mode- Beschleunigungen - Winkelgechwindigkeiten - Orientierung (aus Sternsensoren und Gradiometer) - Gradiometer-Kalibrierung 26

27 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE Analyse von Instrumenten-Zeitreihen Analyse von Sensorzeitreihen der Missionen: - CHAMP - GRACE - GOCE Einfluss und Wechselwirkungen mit - Atmosphäre - Ionosphäre - Magnetfeld 27

28 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE Verbesserte De-aliasing-Produkte GRACE: Problem striping u.a. aufgrund von hochfrequenten Zeitsignalen De-aliasing Produkte GOCE: Ziel: statisches Feld: Korrekturzeitreihen notwendig Ziel: Ungenauigkeiten externer Modelle als stochastisches Modell 28

29 Kombinierte globale Schwerefeldmodelle Ziel: Berechnung kombinierter Schwerefeldmodells aus - Satellitendaten, - terrestrischen Daten, - Satellitenaltimetrie - SLR Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE Projektpartner: - IAPG, TU München (Leitung) - INAS, TU Graz - IGG, Universität Bonn - AIUB, Universität Bern - IWF, ÖAW SLR GRACE GOCE Terrestr. Daten, Altimetrie

30 Eigene Arbeiten: GRACE & GOCE Kombinierte regional Schwerefeldmodelle Geoidlösung: D/O g only GOCE only combined 30

31 Zukünftige Satellitenmissionen Zukünftige Satellitenmissionen

32 höhere räumliche Auflösung CHAMP GRACE GOCE Zukünftige Satellitenmissionen Motivation Anforderungen der Nutzer: kontinuierliche Zeitreihen höhere räumliche Auflösung höhere zeitliche Auflösung höhere zeitliche Auflösung (Quelle: Rummel et al., 2003) 32

33 Zukünftige Satellitenmissionen Zukünftige Schwerefeldmissionen Ziele: durchgängige Zeitreihen, keine Lücken höhere räumliche und zeitliche Auflösung höhere Messgenauigkeiten Lösungsansätze: innovative Technologien Laser-Interferometrie, optische Uhren, Satelliten-Formationen Erhöhung der Auflösung durch Verwendung mehrerer Satelliten Verbesserte Prozessierung & Auswertung integrale Modelle des komplexen Systems Erde (Massentransporte, Massenerhaltung!)

34 Satellitenformationen Zukünftige Satellitenmissionen GRACE Cross-Pendulum CartWheel 34

35 Satellitenformationen Zukünftige Satellitenmissionen GRACE Cross-Pendulum CartWheel 35

36 Zukünftige Satellitenmissionen Die Zukunft hat schon begonnen GRACE-C: GRACE Follow-on ( Gap filler ) NASA FY2011 Budget, Earth Science, Earth Systematic Missions Program, p. 21) GRACE FO will continue to map the Earth's gravitational field and its monthly variability by making accurate measurements of the distance between the two satellites, using GPS and a microwave ranging system. In FY 2011 the GRACE FO mission will complete its Acquisition Strategy Planning Meeting and its KDP-A transition into Formulation. 10-Jun-2010: NASA and DLR Sign Agreement To Continue GRACE Mission Through 2015 Technologie: Mikrowellen-Link; diverse technologische Verbesserungen 36

37 e-motion: Zukünftige Satellitenmissionen Die Zukunft hat schon begonnen Proposal for ESA Earth Explorer Opportunity Mission EE-8 Target launch: 2018 Technologie: - Pendel-Konfiguration - Laser-Interferometer 37

38 Eigene Beiträge Zukünftige Satellitenmissionen: eigene Beiträge Koordination der e.motion Initiative Missionssimulationen Sensitivitätsanalysen 38

39 Forschungsthemen: Schwerefeld Resumee und Ausblick ESA-Schwerefeldmission GOCE Interne Gradiometer-Kalibrierung GOCE-Schwerefeldmodellierung Schwerefeld-Validierung Analyse von Satelliten-Sensoren Akzelerometrie und Orientierung von CHAMP, GRACE, GOCE Globale und regionale Schwerefeldmodellierung Hochauflösende Schwerefeldmodelle als Kombination aus, terrestrischen Daten und Satellitenaltimetrie Zunkünftige Simulation und Planung: innovative/verbesserte Beobachtungstechnologien; Formationen; Signal- Separation; geophysikalische Background-Modelle

40 Forschungsthemen: Schwerefeld + Resumee und Ausblick Massentransporte im System Erde & Erdsystemmodellierung Verknüpfung mit Position (GNSS), geometrischen Verfahren (Fernerkundung) und dynamischen Prozessen (Erdrotation) Konsistente geodätische Referenzsysteme Konsistente Beschreibung und Modellierung von Erdfigur (Höhen), Dynamik und Schwerefeld + Wissenschaftliche Nutzung in den Bereichen Ozean, Hydrologie, Eis, Atmosphäre, Geophysik

41 Schwerefeldmissionen als Beitrag zur Erdsystemforschung Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München 41