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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)
26.04.23 3Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
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
26.04.23 11Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
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
26.04.23 13Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
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
26.04.23 17Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
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/
26.04.23 18Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
26.04.23 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) 19
Quelle: ESA 2010