Neue Konzepte für die Schwerefeldbestimmung mit Satelliten

Projekt: Neue Konzepte für die Schwerefeldbestimmung mit Satelliten

Forschende: Annike Knabe

Projektidee: Kombination von Cross-track Gradiometrie und low-low Satellite-to-Satellite Tracking zur verbesserten Schwerefeldbestimmung.

Wo ist das Grundwasservorkommen in den letzten Jahren besonders stark zurückgegangen? Wie stark ist die Eisschmelze in Grönland fortgeschritten? Um Fragen wie diese zu beantworten, müssen umfangreiche Flächen über einen längeren Zeitraum kontinuierlich beobachtet werden – beim Grundwasser sogar unterirdisch. Das ist mit der Hilfe von Satelliten möglich, die das Schwerefeld der Erde vermessen.  

Die Satellitenmission GRACE-FO misst das Erdschwerefeld und seine zeitlichen und räumlichen Variationen mit Hilfe zweier Satelliten. Die Mission realisiert das sogenannte low-low Satellite-to-Satellite Tracking (ll-SST), d.h. der variierende Abstand zwischen den zwei sich hintereinander her bewegenden Satelliten wird kontinuierlich gemessen. Die Abstandänderung ist verknüpft mit dem Erdschwerefeld und so kann aus den Messungen auf Massenumverteilungen im System Erde geschlossen werden, also beispielsweise das Schmelzen von Eis in Grönland und ein dadurch hervorgerufener Anstieg des Meeresspiegels.

Die Satelliten fliegen in einem polaren Orbit: Sie umlaufen die Erde über den Nord- und Südpol. Durch die Abtastung in dieser Nord-Süd-Richtung kommt es zu Streifeneffekten, also zur Fehleranhäufung in dieser Richtung. Das macht die Auswertung der monatlichen Schwerefelder schwierig. Ein zusätzliches Cross-track Gradiometer auf einem der Satelliten liefert ergänzende Messungen quer zur Bewegungsrichtung. Ein Gradiometer besteht aus zwei Beschleunigungsmessern, womit Beschleunigungsdifferenzen über eine kurze Basislinie gemessen werden. Aus diesen Differenzen kann ebenfalls das Erdschwerefeld berechnet werden.

Die Kombination dieser beiden Messkonzepte ist in Abbildung 1 gezeigt und wird mithilfe von Simulationen analysiert. Die Ergebnisse der Kombination sind in Abbildung 2 dargestellt. Dort ist die Differenz des berechneten Schwerefeldmodells und des Referenzschwerefeldmodells räumlich visualisiert. In der Einzellösung aus ll-SST sind die oben erwähnten Streifeneffekte deutlich zu erkennen (linke Spalte). Die Nutzung des Gradiometers ergibt ein isotroperes Fehlerverhalten (mittlere Spalte). Die Kombination der beiden Einzellösungen zeigt eine starke Reduktion der Streifeneffekte (rechte Spalte).

Weiterführende Informationen

https://www.ife.uni-hannover.de/de/knabe/publikationen

https://www.ife.uni-hannover.de/de/knabe/vortraege-und-poster