Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE 1

1. Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE1 1Gravity Recovery and Climate Experiment Tobias Klaas Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

2. Inhalt • Definition und Einführung Geodäsie • Die Erde als Geoid • Die GRACE-Mission • Geoid Applet des GFZ-Potsdam • Fazit und Ausblick Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

3. Geodäsie - Definition • „Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche“ (F.R. Helmert, 1843-1917) Quelle: Sneeuw 2006 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

4. Geoid - Definition „Niveaufläche des Erdschwerefeldes auf mittlerer Meereshöhe“ (Gauss-Listing) Quelle: Sneeuw 2006 Quelle: UTexas 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

5. Schwerkraft und Potential • Formeln für die Schwerkraft nach Newton • Potential der Gravitation • Potential der Zentrifugalbeschleunigung Quelle: Hergarten 2009 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

6. Potential und Äquipotentialflächen Vorteil 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 Quelle: Hergarten 2009 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

7. Geoid = Äquipotentialfläche Quelle: Barthelmes 2009 Denkhilfe: Vollständig mit Wasser bedeckte Erde nimmt die Form des Geoids an! Quelle: Jäggi 2009 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

8. 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 Quelle: GFZ 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

9. GRACE – Funktionsprinzip 1 low-low satellite-to-satellite tracking Quelle: Sneeuw 2006 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

10. GRACE – Funktionsprinzip 2 Quelle: UTexas 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

11. 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 Quelle: GFZ 2010; Jäggi 2009; Sneeuw 2006 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

12. GRACE – Funktionsprinzip 4 Quelle: ILRS,2010 Quelle: GFZ 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

13. 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 Quelle: GFZ 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

14. Geoid-Applet Verfügbar beim GFZ Potsdam unter: http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ • Darstellung aller Geoid-Modelle • Physikalisches Modell frei drehbar • Auswahl von Verstärkungsfaktorenund Gitterauflösung Quelle: UTexas 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

15. 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 Quelle: ESA 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

16. Quellen • Barthelmes, Franz: Definition ofFunctionalsofthe Geopotential andTheirCalculationfromSphericHarmonic 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 RecoveryandClimate Experiment, 2010.URL: http://www.csr.utexas.edu/grace/ Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

17. Quelle: ESA 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)