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Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE1

1Gravity Recovery and Climate Experiment

Tobias Klaas

26.04.23 1Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Inhalt

• Definition und Einführung Geodäsie• Die Erde als Geoid• Die GRACE-Mission• Geoid Applet des GFZ-Potsdam• Fazit und Ausblick

26.04.23 2Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Geodäsie - Definition

• „Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche“ (F.R. Helmert, 1843-1917)

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Quelle: Sneeuw 2006

Geoid - Definition

„Niveaufläche des Erdschwerefeldes auf mittlerer Meereshöhe“ (Gauss-Listing)

26.04.23 4Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: Sneeuw 2006

Quelle: UTexas 2010

Schwerkraft und Potential• Formeln für die Schwerkraft nach Newton

• Potential der Gravitation

• Potential der Zentrifugalbeschleunigung

26.04.23 5Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: Hergarten 2009

Potential und ÄquipotentialflächenVorteil von Potentialen:• Einfache Addition skalarer Werte anstelle von

Vektorrechnung: Überlagerung verschiedener Massen

Eine Äquipotentialfläche (ÄF) ist eine Fläche konstanten Potentials:

• Schwerevektor g steht senkrecht auf ÄF• Entlang einer ÄF kann eine Masse bewegt werden

ohne Energie aufzubringen

26.04.23 6Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: Hergarten 2009

Geoid = Äquipotentialfläche

Denkhilfe: Vollständig mit Wasser bedeckte Erde nimmt die

Form des Geoids an!

26.04.23 7Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: Barthelmes 2009

Quelle: Jäggi 2009

GRACE - Einführung• Zwillingssatelliten zur detaillierten Vermessung des

Erdschwerefelds• Start im März 2002, zunächst auf fünf Jahre

Missionsdauer ausgelegt• Bisher unerreichte Messgenauigkeit • Erfassung der zeitlichen Variationen im Monatszyklus• Qualitativ hochwertige Gravitationsfeldlösungen aus

relativ kurzen Zeitreihen (30 Tage)• Flughöhe 300 bis 500km, bei ca. 90° Bahnneigung bei

220km Abstand

26.04.23 10Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: GFZ 2010

GRACE – Funktionsprinzip 1

low-low satellite-to-satellite tracking

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Quelle: Sneeuw 2006

GRACE – Funktionsprinzip 2

26.04.23 12Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: UTexas 2010

GRACE – Funktionsprinzip 3• K-Band-Instrument (24/32 GHz)– Kontinuierliche Messung des Abstands zwischen den

beiden Satelliten– Genauigkeit im Mikrometerbereich (menschliches Haar!)

• GPS-Antennen– Bestimmung der Flughöhe und Geschwindigkeit– Genauigkeit: Position 1cm, bei Geschwindigkeit 0,1mm/s

• Accelerometer / Beschleunigungssensor– Identifikation der Schwerkraftkomponente des

Erdschwerefeldes– Genauigkeit im Bereich von 10-5 m/s²

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Quelle: GFZ 2010; Jäggi 2009; Sneeuw 2006

GRACE – Funktionsprinzip 4

26.04.23 14Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: GFZ 2010

Quelle: ILRS,2010

GRACE - Anwendungen• Erstellung neuer, präziser Geoid-Modelle• Langzeitliche Anwendungen in der

Ozeanographie und der Geodäsie:– Wärmegehalt der oberen Meeresschichten– Veränderungen des Meeresspiegels– Eisschmelze

• Analyse zeitliche Variationen:– Großflächige Verdunstungsvorgänge– Veränderungen der Erdfeuchte– Massenbilanzen bei Gletschern und Eisflächen– Wasser- und Schneespeicherung der Kontinente

26.04.23 15Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: GFZ 2010

Geoid-Applet

Verfügbar beim GFZ Potsdam unter:http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/

• Darstellung aller Geoid-Modelle• Physikalisches Modell frei drehbar• Auswahl von Verstärkungsfaktoren

und Gitterauflösung

26.04.23 16Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

Quelle: UTexas 2010

Fazit und Ausblick• Geoid: Niveaufläche (= Äquipotentialfläche) des

Erdschwerefeldes auf mittlerer Meereshöhe• GRACE bietet erstmalig die Möglichkeit die zeitlichen

Variationen des Erdschwerefeldes zu untersuchen

• Ergebnisse von CHAMP (Vorgängermission) und GRACE revolutionierten die Satelliten Gravimetrie

• Fortsetzung der Mission bis zur maximalen technischen Lebensdauer (ca. 2015) im Juni 2010 beschlossen

• Folgemission GOCE ist seit März 2009 im All (255km Höhe) und hat bereits erste Ergebnisse geliefert

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Quelle: ESA 2010

Quellen• Barthelmes, Franz: Definition of Functionals of the Geopotential and Their Calculation from Spheric

Harmonic Models; Deutsches Geoforschungszentrum Potsdam, 2009.URL: http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/theory/str-0902.pdf

• Deutsches Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ): Website zur GRACE Mission (alte Seiten), 2010.URL: http://op.gfz-potsdam.de/grace/index_old.html

• European Space Agency (ESA): Website zur GOCE Mission, 2010.URL: http://www.esa.int/SPECIALS/GOCE/SEMY0FOZVAG_0.html

• Hergarten, Stefan: Vorlesungsskript Schwerefeld und Gravimetrie; Institut für Erdwissenschaften, KFU Graz, 2008.URL: http://geol43.uni-graz.at/08W/GEO521/schwere.pdf

• International Laser Ranging Service (ILRS): Website zur GRACE Mission, 2010.URL: http://ilrs.gsfc.nasa.gov/satellite_missions/list_of_satellites/graa_general.html

• Jäggi, Adrian: Von Newtons Apfel zur Gravitationsfeldforschung mit Satelliten; Astronomisches Institut, Universität Bern, 2009.URL: http://www.physik.unibe.ch/unibe/philnat/fachbphysik/content/e4896/e4905/e5063/e5542/linkliste5545/jaeggi2009b_ger.pdf

• Sneeuw, Nico: Raumfahrt aus Leidenschaft – Vermessung der Erde mit CHAMP, GRACE und GOCE; Institut für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart, 2006.URL: http://www.irs.uni-stuttgart.de/skript/RaL/060516_VermessungderErde.pdf

• University of Texas (UTexas): Website GRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment, 2010.URL: http://www.csr.utexas.edu/grace/

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Quelle: ESA 2010