Das dynamische System Erde

Präsentation zum Thema: "Das dynamische System Erde"—  Präsentation transkript:

1 Das dynamische System Erde
Annette Eicker 22. Dezember 2011

2 Geodäsie – Die Vermessung der Erde
NASA

3 Die drei Pfeiler der Geodäsie
Schwerefeld der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde

4 Die drei Pfeiler der Geodäsie - Schwerefeld
der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde

5 Die drei Pfeiler der Geodäsie - Geometrie
Schwerefeld der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde Raumverfahren: GPS, VLBI, SLR, LLR, DORIS

6 Die drei Pfeiler der Geodäsie - Erdrotation
Schwerefeld der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde

7 Die drei Pfeiler der Geodäsie – Messung mit GPS
Schwerefeld der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde

8 Die drei Pfeiler der Geodäsie
Schwerefeld der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde

9 Die drei Pfeiler der Geodäsie
Schwerefeld der Erde Geometrie der Erde Orientierung der Erde

10 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

11 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

12 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

13 Drehmomente von Sonne und Mond
Beeinflussen die Erdrotation

14 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

15 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

16 Gezeitenkraft von Sonne und Mond
Verändern die Figur der Erde und das Schwerefeld

17 Gezeiten der festen Erde
Deformation: bis 50 cm Sonne , Mond

18 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

19 Gezeiten der festen Erde
Geometrie Schwerefeld 1. Gravitation Sonne, Mond Änderung der Lage (vertikal und horizontal) 2. Änderung der Lage 3. Massen verlagerung der Erde

20 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

21 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

22 Ozeangezeiten Sonne , Mond Wasserhöhe: 50 cm Geoid: cm

23 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

24 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

25 Ozeanströmungen

26 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

27 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

28 Auflasten Ozean Kruste Mantel

29 Auflasten Ozean Kruste Mantel

30 Auflasten Ozean Kruste Mantel

31 Auflasten Ozean Kruste Mantel

32 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

33 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

34 Drehimpuls Relative Drehimpulse => (Euler-Liouville-Gleichung)

35 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

36 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

37 Variationen der Atmosphäre
Geoid

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39 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

40 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

41 Zeitliche Änderungen des Geoids
ITG-Grace03 Schon abgezogen: Gezeiten (Ozean, feste Erde….), Atmosphäre, Ozeanvariationen

42 Trend und Amplitude Jährliche Amplitude Jährlicher Trend [kg/m²]
[kg/m²/a]

43 Jährliche Amplitude [kg/m²]

44 Hydrologisches Signal (GRACE)
1gt = 1km³ Wasser! 1000 Amazonas Orinoco [giga tons] Äquator Ein Eiswürfel: 3 * 3 * 3 cm^3 = 2.7e-7 m^3 1gt = 1km^3 = 1e9 m^3 = 3.7e15 Eiswürfel 3 pro Glas => e15 Gläser Weltbevölkerung 6.6e9 Menschen -> Getränke pro Person! -1000 2007 2006 2005 2004 2003

45 Trend 08/2002 bis 04/2007 [kg/m²/a]

46 Glazial-isostatischer Ausgleich (GIA)
Mantel Kruste Eis 1 Mantel Kruste 3 Mantel Kruste Eis 2 Mantel Kruste 4

47 GIA global [ mm geoidheight / year] Klemann und Martinec (2009)

48 Trend 08/2002 bis 04/2007 [kg/m²/a]

49 Grönland Massenverlust in Grönland beobachtet mit GRACE
Massenverlust: 216,7 Gt/Jahr (Masterarbeit Laura Jensen, 2010)

50 Eis Geoid Ozean Meeresboden Kruste Moho Mantel

51 Das Eis schmilzt Geoid Ozean Meeresboden Kruste Moho Mantel

52 Das Eis schmilzt Das Land hebt sich Geoid Meeresboden Moho Ozean
Kruste Moho Mantel

53 Das Eis schmilzt Das Land hebt sich Das Geoid ändert sich Geoid
Ozean Meeresboden Kruste Moho Mantel

54 Der Meeresspiegel steigt
Das Eis schmilzt Das Land hebt sich Das Geoid ändert sich Der Meeresspiegel steigt Geoid Ozean Meeresboden Kruste Moho Mantel

55 Der Meeresspiegel steigt Auflast ändert den Meeresboden
Das Eis schmilzt Das Land hebt sich Das Geoid ändert sich Der Meeresspiegel steigt Auflast ändert den Meeresboden Geoid Ozean Meeresboden Kruste Moho Mantel

56 Der Meeresspiegel steigt Auflast ändert den Meeresboden
Das Eis schmilzt Das Land hebt sich Das Geoid ändert sich Der Meeresspiegel steigt Auflast ändert den Meeresboden Geoid Ozean Meeresboden Kruste Moho Mantel

57 Meeresspiegel Fingerprint des Eismassenverlustes in Grönland => räumliches Muster (Annahme: 200 gt/Jahr Eisverlust) (Rietbroek et al. 2011)

58 Meeresspiegel kontinentales Eis
Meeresspiegelanstieg, wie GRACE ihn sieht => Änderung der Massen Hydrologie

59 Altimetrie Auch mit Altimeter-Satelliten kann man die (geometrische) Änderung der Meeresoberfläche messen W. Bosch

60 Meeresspiegel Die Altimetrie beobachtet neben Masseneffekten vor allem auch die Ausdehnung des Wassers aufgrund von Temperaturänderungen (sterische Meeresspiegeländerung) (NASA)

61 Meeresspiegelvariationen
Altimetrie University of Colorado

62 Pegelmessungen Eine weitere Möglichkeit ist die Beobachtung an Pegelstationen => Massenänderung, sterischer Effekt, Auflasten Ozean Kruste Mantel

63 Trend 08/2002 bis 04/2007 [kg/m²/a]

64 Indien

65 Trend 08/2002 bis 04/2007 [kg/m²/a]

66 Erdbeben Sumatra-Andaman Erdbeben (Dezember 2004)
Shin-Chan Han, Ohio State

67 Erdbeben Sumatra-Andaman Erdbeben (Dezember 2004)

68 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

69 Problem: Signaltrennung
Ziel (Beispiel): Bestimmung der Eismassenänderungen Problem: alle Massenvariationen passieren gleichzeitig Eismassenverlust GIA Hydrologie Ozean Atmospähre … Aber: GRACE beobachtet nur das komplette Signal Lösungsvorschlag: Berücksichtigung aller anderen Effekte durch Modelle

70 Verschiedene GIA-Modelle
21.1 Gt/Jahr 1.5 Gt/Jahr Klemann und Martinec (2009) Spada und Stocci (2007) 19.5 Gt/Jahr -61.5 Gt/Jahr Wu et al. (2010) Wang et al. (2008) (Masterarbeit Laura Jensen, 2010)

71 Problem: Signaltrennung
Ziel (Beispiel): Bestimmung der Eismassenänderungen Problem: alle Massenvariationen passieren gleichzeitig Eismassenverlust GIA Hydrologie Ozean Atmospähre … Signaltrennung ist sehr schwierig und ein noch nicht gelöstes Problem Aber: GRACE beobachtet nur das komplette Signal Lösungsvorschlag: Berücksichtigung aller anderen Effekte durch Modelle

72 Das dynamische System Erde
Sonne, Mond, Planeten Schwerefeld der Erde Gezeiten Ozean Gezeiten Atmosphäre Grundwasser Postglaziale Landhebung Gezeiten feste Erde Strömung Ozean Strömung Atmosphäre Platten-tektonik Vulkanismus Auflast Ozean Auflast Atmosphäre Massen- verteilung Geometrie der Erde Erdbeben Vegetation Drehimpuls Ozean Drehimpuls Atmosphäre Rotations- deformation Mantel, Kern ... Orientierung der Erde Dreh-momente Trägheits- tensor

73 Verknüpfung Geodäten benötigen Modelle um ihre Messungen zu verstehen und zu korrigieren. Mit ihren Messungen liefern Geodäten einen wichtigen Beitrag für die anderen Geowissenschaften. Zusammenarbeit in den Geowissenschaften: Geodäsie Ozeanographie Meteorologie Hydrologie Glaziologie Geophysik Geologie Das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen im dynamischen System Erde ist lebenswichtig. „Klimawandel“

74 DFG - Schwerpunktprogramm
Start: Ende 2006 Dauer 3 x 2 Jahre Förderung ~ 2 M€/y UH-GI 18 interdisziplinäre Projekte Antrag durch Ilk et al., 2005 74

75 Continental hydrology From satellite sensor data to mass signals
Gravity field missions Oceanic transport Altimetry missions Continental hydrology From satellite sensor data to mass signals Ice mass balance and sea level Remote sensing Dynamics of mantle and crust

76 Frohe Weihnachten