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Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE 1. 1 Gravity Recovery and Climate Experiment Tobias Klaas. Inhalt. Definition und Einführung Geodäsie Die Erde als Geoid Die GRACE-Mission Geoid Applet des GFZ-Potsdam Fazit und Ausblick. Geodäsie - Definition.

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satelliten gravimetrie am beispiel des grace 1

Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE1

1Gravity Recovery and Climate Experiment

Tobias Klaas

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

inhalt
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)

geod sie definition
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)

geoid definition
Geoid - Definition

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

Quelle: Sneeuw 2006

Quelle: UTexas 2010

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

schwerkraft und potential
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)

potential und quipotentialfl chen
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)

geoid quipotentialfl che
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)

grace einf hrung
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)

grace funktionsprinzip 1
GRACE – Funktionsprinzip 1

low-low satellite-to-satellite tracking

Quelle: Sneeuw 2006

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

grace funktionsprinzip 2
GRACE – Funktionsprinzip 2

Quelle: UTexas 2010

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

grace funktionsprinzip 3
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)

grace funktionsprinzip 4
GRACE – Funktionsprinzip 4

Quelle: ILRS,2010

Quelle: GFZ 2010

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

grace anwendungen
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)

geoid applet
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)

fazit und ausblick
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)

quellen
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/

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Quelle: ESA 2010

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