Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE1

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1 Satelliten Gravimetrie am Beispiel des GRACE1
1Gravity Recovery and Climate Experiment Tobias Klaas 10s Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

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

3 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
Geodäsie - Definition „Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche“ (F.R. Helmert, ) 30min Quelle: Sneeuw 2006 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

4 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
Geoid - Definition „Niveaufläche des Erdschwerefeldes auf mittlerer Meereshöhe“ (Gauss-Listing) Quelle: Sneeuw 2006 20s 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 2min 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 2min Quelle: Hergarten 2009 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

7 Geoid = Äquipotentialfläche
Quelle: Barthelmes 2009 2min Denkhilfe: Vollständig mit Wasser bedeckte Erde nimmt die Form des Geoids an! Quelle: Jäggi 2009 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

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

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

10 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
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 40min Quelle: GFZ 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

11 GRACE – Funktionsprinzip 1
low-low satellite-to-satellite tracking 30min Quelle: Sneeuw 2006 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

12 GRACE – Funktionsprinzip 2
1min Quelle: UTexas 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

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 30min Quelle: GFZ 2010; Jäggi 2009; Sneeuw 2006 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

14 GRACE – Funktionsprinzip 4
Quelle: ILRS,2010 30s Quelle: GFZ 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

15 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
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 30s Quelle: GFZ 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

16 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)
Geoid-Applet Verfügbar beim GFZ Potsdam unter: Darstellung aller Geoid-Modelle Physikalisches Modell frei drehbar Auswahl von Verstärkungsfaktoren und Gitterauflösung 5min Quelle: UTexas 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

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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 30s Quelle: ESA 2010 Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

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Quellen Barthelmes, Franz: Definition of Functionals of the Geopotential and Their Calculation from Spheric Harmonic Models; Deutsches Geoforschungszentrum Potsdam, URL: Deutsches Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ): Website zur GRACE Mission (alte Seiten), URL: European Space Agency (ESA): Website zur GOCE Mission, URL: Hergarten, Stefan: Vorlesungsskript Schwerefeld und Gravimetrie; Institut für Erdwissenschaften, KFU Graz, URL: International Laser Ranging Service (ILRS): Website zur GRACE Mission, URL: Jäggi, Adrian: Von Newtons Apfel zur Gravitationsfeldforschung mit Satelliten; Astronomisches Institut, Universität Bern, URL: Sneeuw, Nico: Raumfahrt aus Leidenschaft – Vermessung der Erde mit CHAMP, GRACE und GOCE; Institut für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart, URL: University of Texas (UTexas): Website GRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment, URL: Tobias Klaas, SoSe 2010, Vorlesung Geophysik (Prof. Koch)

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

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