Atmosphärische und ozeanische Beiträge zur Anregung der Chandler-Schwingung

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1 Atmosphärische und ozeanische Beiträge zur Anregung der Chandler-Schwingung FLORIAN SEITZ Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München dgfi.badw.de

2 Geodätische Beobachtung - geophysikalisches Modell - Massenverlagerungen im Inneren der Erde und in ihrem Außenraum beeinflussen die Oberflächengestalt, das Schwerefeld und die Rotation der Erde - Geodätische Raumverfahren und terrestrische Beobachtungen erfassen die Auswirkungen der Massenverlagerungen mit hoher Genauigkeit - Aber: Die Beobachtungszeitreihen erlauben i.a. keinen unmittelbaren Rückschluss auf Ursachen bzw. auf die Beiträge einzelner Systemkomponenten - Zur Erklärung der Variationen sind unabhängige Ansätze aus Theorie und Modellierung notwendig - Entwicklung des physikalisch konsistenten Erdsystemmodells DyMEG zur Identifikation der Effekte einzelner geophysikalischer und gravitativer Prozesse

3 Drehimpulsbilanzierung im System Erde Drehimpulsbilanz im rotierenden Bezugssystem der Erde (Liouville-Gleichung) Betrachtung eines gleichmäßig rotierenden Bezugssystems - geozentrische Lagerung - z-achse genähert in Richtung des größten Hauptträgheitsmoments C Erdrotationsvektor: ω(t) m 1(t) m 2(t) 1+ m 3(t) Lösung der Differentialgleichung nach ω(t) liefert Variationen der Erdrotation DyMEG: nummerische Lösung = ω d d t (I ω + h) + ω x (I ω + h) = L 2 π, ω = m i(t) << s

4 Chandler- und esschwingung.5 Polbewegung (x-komponente) [as] Beobachtungszeitreihe esschwingung Chandler-Schwingung

5 Dynamisches Erdsystemmodell DyMEG Geophysikalische und klimatische Prozesse, Wetter Gezeiten Sonne Mond Atmosphäre Ozean Erdkörper Drehmomente L Massenverlagerungen Massenbewegungen Gezeitendeformation h I m1 m f (,, 2 = L, I m i m3 Variationen der Erdrotation relative Drehimpulse Trägheitstensor Liouville- Gleichung h ) Auflastdeformation Rotationsdeformation

6 Freie Polbewegung aus DyMEG 1 Modellergebnis ohne Antriebe (normiert) Dämpfungsfunktion Rheologie des Erdkörpers beschrieben durch die komplexe Love-Zahl k 2 - Energieverlust durch Reibung Chandler-Bewegung ist eine gedämpfte Schwingung Chandler-Periode T Ch = 433,9 d Gütefaktor Q = 69 - Ohne Anregung würde sich die Erdrotationsachse der Achse des größten Hauptträgheitsmoments annähern Warum ist die Chandler-Schwingung immer noch beobachtbar?

7 Atmosphärische und ozeanische Antriebe Atmosphärische Reanalysen (NCEP) - Wettervorhersagemodell, assimiliert mit atmosphärischen Beobachtungen - mehr oder weniger realitätsnahe Beschreibung des atmosphärischen Zustands Globales Ozeanzirkulationsmodell (ECCO) - Antrieb durch NCEP (Winde, Temperatur, Niederschlag,...) - Annahme einer unmittelbar isostatischen Reaktion auf Luftdruckanomalien (invers barometrisches Verhalten) Die Modellkombination NCEP-ECCO ist konsistent Gemeinsam überdeckter Zeitraum: (23 e)

8 Modellergebnis für die Polbewegung.5 x-komponente y-komponente [as] Modellergebnis (NCEP-ECCO) Beobachtungszeitreihe (C4) [as] Korrelationskoeffizient:.98 RMS: 29.5 mas Korrelationskoeffizient:.99 RMS: 23.3 mas

9 Getrennter atmosphärischer und ozeanischer Antrieb.5 NCEP (x-komponente) ECCO (x-komponente) [as] -.5 Periode [Tage] 5 Prograd Prograd (x 1-2 ) Wavelet-Energie [as 2. d 2 ] Beide Subsysteme tragen zur Anregung der Chandler-Schwingung bei

10 .1 Antrieb mit bandpassgefilterten Anregungen - Anwendung eines Bandpassfilters auf die atmosphärischen und ozeanischen Anregungen (Passband zwischen 4 und 46 Tagen) - Ermittlung der im Trägheitstensor zwischen 4 und 46 Tagen enthaltenen Anregungsenergie über eine Morlet Wavelet-Analyse NCEP (x-komponente) ECCO (x-komponente) [as] -.1 [1 55. kg 2. m 4 ] Modellergebnis Anregungsenergie zwischen 4 und 46 Tagen

11 Antrieb mit weißem Rauschen (a).5 [as] [1 53. kg 2. m 4 ] [as] (b) Modellergebnis (x-komponente) Anregungsenergie zwischen 4 und 46 Tagen [1 55. kg 2. m 4 ] (c) [1 57. kg 2. m 4 ] [as]

12 Zusammenfassung - Gute Übereinstimmung der Polbewegung aus DyMEG mit den Beobachtungen Korrelationskoeffizienten:.98 (x-komponente),.99 (y-komponente) - Atmosphärischer und ozeanischer Antrieb regt die Chandler-Schwingung über mehr als zwei zehnte hinweg an - Beide Subsysteme haben signifikanten Einfluß auf die freie Polbewegung - Resonante Anfachung der Chandler-Schwingung bei Antrieb mit weißem Rauschen - Die zur Anregung notwendige Energie ist genauso hoch, wie die in den atmosphärischen und ozeanischen Drehimpulsen enthaltene Energie! - Ursache der CW-Anregung: stochastische atmosphärische Variationen (Wetter), die sich durch Kopplung von der Atmosphäre auf den Ozean fortsetzen