Atmosphärische Anregung der kurzperiodischen Erdrotation

Kurzperiodische Fluktuationen der Erdrotation unterliegen dem markanten Einfluss täglicher und sub-täglicher dynamischer Effekte in der Atmosphäre im Zusammenhang mit atmosphärischen Gezeiten. Scharf abgegrenzte Signale in den Spektren der Erdrotationsparameter (ERP) entstehen einerseits durch den Transfer des atmosphärischen Drehimpulses auf die feste Erde, andererseits durch die Reaktion des Ozeans auf Luftdruckvariationen und Windschubspannungen. Bisherige Studien konnten jedoch nur ein unzulängliches Bild dieser hochfrequenten Anregungseffekte zeichnen. Die Kernaufgabe des Projektes ASPIRE ist daher die Ermittlung genauer Schätzungen des atmosphärisch bedingten Einflusses auf kurzperiodische Variationen der ERP zusammen mit einer ausführlichen Darstellung der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse dem Drehimpulsaustausch innerhalb des Systems Erde. Zwei unterschiedliche aber analytisch gleichwertige Modellierungsansätze, beruhend auf Drehimpulsgrößen bzw. Drehmomenten an den Systemnahtstellen, werden zu diesem Zweck parallel angewandt. Der rein atmosphärische Teil der Studie basiert auf modernsten meteorologischen Daten von drei weltweit etablierten Wettermodellen. Eine ausdrückliche Neuerung an dieser Stelle sind Fehler- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen bei durchgehender Verwendung dreistündlicher meteorologischer Vorhersagedaten. Im Speziellen dienen diese Überlegungen der numerischen Verifizierung der Äquivalenz von Drehimpuls- und Drehmomentansatz, welche auf täglichen Zeitskalen bisher unbestätigt ist, aber eine aufschlussreiche gegenseitige Überprüfung der Ergebnisse beider Modellierungsansätze erlaubt. Das zweite Arbeitsgebiet von ASPIRE komplementiert die Datensätze der für die hochfrequente Erdrotation essentiellen geophysikalischen Fluide durch Miteinbeziehung des numerischen Ozeanmodells OMCT (Ocean Model for Circulation and Tides). Numerische Experimente mithilfe der Standardkonfiguration von OMCT und regional verfeinerten Gittern geben Aufschluss über atmosphärisch bedingte ozeanische Anregungseffekte, welche wiederum mittels Drehimpuls- und Drehmomentgrößen in bisher unerreichter dreistündlicher Auflösung diagnostiziert werden. Nach kritischer Analyse der Drehimpulsbilanz innerhalb von OMCT können in einem abschließenden Arbeitsschritt die erhaltenen atmosphärischen und ozeanischen Anregungssignale in Anbetracht hochgenauer ERP-Beobachtungen aus modernen geodätischen Weltraumverfahren bewertet werden. Der wissenschaftliche Fortschritt dieser umfassenden Berechnungen besteht insbesondere in einem geschärften Verständnis der Gültigkeit sub-täglicher Anregungssignale aus globalen Zirkulationsmodellen. ASPIRE liefert dadurch einen substantiellen Beitrag zur verbesserten Interpretation beobachteter kurzperiodischer Variationen der ERP und fördert im weiteren Sinne unsere Einsicht in das komplexe System Erde mit seinen vielfachen dynamischen Interaktionen zwischen festen und fluiden Komponenten.

Die Kenntnis sowie die geophysikalische Modellierung von Unregelmäßigkeiten in der Erdrotation (Nutation, Polbewegung und Änderungen in der Tageslänge) sind von essentieller Bedeutung in der modernen Geodäsie und eine Grundvoraussetzung für jede Art von Positionierung mit geodätischen Weltraumverfahren, wie den Globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS). Außerdem kann man durch den Vergleich der beobachteten Variabilität in der Erdrotation mit den geophysikalischen Ursachen Informationen zum Erdinneren sowie zu Wechselwirkungen zwischen fester Erdoberfläche und den umgebenden Fluiden wie Atmosphäre und Ozean gewinnen. So sind in der Atmosphären- und Ozeandynamik die täglichen und halbtäglichen Oszillationen thermischen Ursprungs lange als irritierende Terme für die Erdrotation betrachtet worden, weil die weltraumgeodätische Beobachtung im Widerspruch zu Vorhersagen aus geophysikalischen Modellen stand. Im Projekt ASPIRE haben wir uns mit der Auflösung dieses Widerspruchs und mit der Herausarbeitung der exakten Natur des Einflusses der atmosphärischen Gezeiten auf die Erdrotation beschäftigt.Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Beobachtungen der prograden jährlichen Nutationsanomalie wurden in ASPIRE erstmals mit der täglichen S1 (Periode von 24 Stunden) Anregung aus geophysikalischen Modellen zusammengeführt. Dieses Ergebnis wurde im Besonderen durch die kritische Auswahl von atmosphärischen Assimilationsmodellen und die sorgfältige Behandlung der hydrodynamischen Antwort auf die Drucktide des Atmosphärenmodells ermöglicht. Die abgeleitete konsistente Anregung durch Atmosphäre und Ozean wird auch von großer Bedeutung für die prograden jährlichen Bewegungen in zukünftigen Nutationstheorien sein.Unterschiedliche Ansätze der verfeinerten Ozeanmodellierung und die kombinierte Anwendung von Drehimpuls- und Drehmomentansatz wurden schließlich zusammengeführt. Während eine genaue Validierung der atmosphärischen Drehimpulsbilanz im ersten Teil des Projekts ASPIRE in allen Komponenten der Erdrotation durchgeführt wurde, beschäftigten wir uns später vor allem mit den stärker ausgeprägten täglichen Variationen in der Tageslänge (15-20 Mikrobogensekunden). Diese Aspekte, zusammen mit dem Einfluss hochfrequenter atmosphärischer Anregung, sind neue Resultate in der Disziplin und haben auch das Potential zur Verbesserung der Modellierung von Polbewegung und Tageslänge auf anderen Zeitskalen. Als Kernprodukt für die geodätische Praxis haben wir einen kombinierten Drehmoment- und Drehimpulsansatz zur Bestimmung der Anregung der Tageslänge verwendet, der konsistent mit weltraumgeodätischen Bestimmungen von S1 ist und daher in zukünftigen a priori Modellen der subtäglichen Erdrotationsschwankungen verwendet werden sollte.