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Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE 1 1 Gravity Recovery and Climate Experiment Tobias Klaas 22.01.20141 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik.

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1 Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE 1 1 Gravity Recovery and Climate Experiment Tobias Klaas 22.01.20141 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 22.01.20142 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

3 Geodäsie - Definition Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche (F.R. Helmert, 1843-1917) 22.01.20143 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Sneeuw 2006

4 Geoid - Definition Niveaufläche des Erdschwerefeldes auf mittlerer Meereshöhe (Gauss-Listing) 22.01.20144 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Sneeuw 2006 Quelle: UTexas 2010

5 Schwerkraft und Potential Formeln für die Schwerkraft nach Newton Potential der Gravitation Potential der Zentrifugalbeschleunigung 22.01.20145 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Hergarten 2009

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 22.01.20146 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Hergarten 2009

7 Geoid = Äquipotentialfläche Denkhilfe: Vollständig mit Wasser bedeckte Erde nimmt die Form des Geoids an! 22.01.20147 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Barthelmes 2009 Quelle: Jäggi 2009

8 Schwerkraft homogene Kugel 22.01.20148 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Hergarten 2009

9 Vergleich PREM / homogen 22.01.20149 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Hergarten 2009

10 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 22.01.201410 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: GFZ 2010

11 GRACE – Funktionsprinzip 1 low-low satellite-to-satellite tracking 22.01.201411 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: Sneeuw 2006

12 GRACE – Funktionsprinzip 2 22.01.201412 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: UTexas 2010

13 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 22.01.201413 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: GFZ 2010; Jäggi 2009; Sneeuw 2006

14 GRACE – Funktionsprinzip 4 22.01.201414 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: GFZ 2010 Quelle: ILRS,2010

15 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 22.01.201415 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: GFZ 2010

16 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 22.01.201416 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: UTexas 2010

17 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 22.01.201417 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: ESA 2010

18 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.pdfhttp://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.htmlhttp://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.htmlhttp://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.pdfhttp://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.htmlhttp://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/linklis te5545/jaeggi2009b_ger.pdf http://www.physik.unibe.ch/unibe/philnat/fachbphysik/content/e4896/e4905/e5063/e5542/linklis te5545/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.pdfhttp://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/http://www.csr.utexas.edu/grace/ 22.01.201418 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

19 22.01.2014 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) 19 Quelle: ESA 2010

20 22.01.201420 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

21 22.01.201421 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

22 22.01.201422 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

23 22.01.201423 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

24 22.01.201424 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch) Quelle: GFZ 2010


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