GGOS Atmosphäre

In der modernen Geodäsie und im speziellen bei den geodätischen Weltraumverfahren müssen verschiedenste Einflüsse der Atmosphäre berücksichtigt werden. Die Atmosphäre verzögert die Radiosignale von GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Satelliten oder extragalaktischen Radioquellen, die mit dem Verfahren der VLBI (Very Long Baseline Interferometry) beobachtet werden, atmosphärische Auflasteffekte deformieren die feste Erde im Bereich von wenigen Millimetern bis zu mehr als einem Zentimeter, Beobachtungen des Erdschwerefeldes mit speziellen Satellitenmissionen müssen wegen atmosphärischer Effekte korrigiert werden, und schließlich werden Erdrotationsschwankungen (Polbewegung, Tageslänge) zu einem beträchtlichen Teil auch durch Prozesse in der Atmosphäre verursacht. Die Atmosphäre spielt daher eine entscheidende Rolle für das `Global Geodetic Observing System` (GGOS) der `International Association of Geodesy` (IAG) mit seiner zentralen Thematik `Globale Deformation und Massenverlagerungen im System Erde`. In den letzten Jahren sind all diese atmosphärischen Effekte aus Daten von numerischen Wettermodellen berechnet worden, allerdings von verschiedenen Institutionen mit verschiedenen Wettermodellen (in unterschiedlicher Auflösung) und mit unterschiedlichen geophysikalischen Modellen bzw. Hypothesen. Die zentrale Aufgabe des Projekts `GGOS Atmosphere` besteht darin, konsistente und homogene Modelle für (1) atmosphärische Auflasteffekte, (2) atmosphärische Drehimpulsfunktionen, und (3) Koeffizienten des Gravitationspotentiales der Atmosphäre aus einem gemeinsamen Datensatz mit den gleichen meteorologischen Größen wie Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit zu berechnen. Das Projekt `GGOS Atmosphäre` umfasst dabei das Extrahieren von Datensätzen des European Centre for Medium- Range Weather Forecasts (ECMWF) mit der höchstmöglichen räumlichen und zeitlichen Auflösung, sowie die konsistente Bestimmung der drei oben genannten Parameter. Die Einflüsse von verschiedenen Datenklassen des ECMWF sowie der unterschiedlichen geophysikalischen Modelle auf die Parameter werden untersucht, und sobald die am besten geeigneten Klassen und Modelle gefunden sind, werden die Routinen auf den Rechnern des ECMWF in Reading (U.K.) implementiert, um das Herunterladen der enormen Datenmengen zu vermeiden. Die Auflasteffekte, Drehimpulsfunktionen, und Koeffizienten des Gravitationspotentiales der Atmosphäre werden sodann konsistent für den gesamten Zeitraum von weltraumgeodätischen Beobachtungen berechnet und der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft zur Verfügung gestellt. Damit trägt `GGOS Atmosphere` zu einem besseren Verständnis des Systems Erde bei, das auf der Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen Geometrie, Rotation und Schwerefeld der Erde beruht.

Nach einer Reihe von Tests mit verschiedenen Datensätzen und Modellentwicklungen sind wie geplant vier für die Geodäsie relevante Parameter konsistent aus einem gemeinsamen Datenstrom des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) bestimmt worden. Diese vier Parameter, welche nun operationell der internationalen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden, sind: (1) Drehimpulsfunktionen für die Atmosphäre zur Interpretation und Prädiktion von Erdrotationsschwankungen; (2) atmosphärische Auflasteffekte zur Beschreibung der Deformation der festen Erde aufgrund von Luftdruckschwankungen; (3) globale Schwerefeldkoeffizienten für die Atmosphäre zur Ableitung von hydrologischen und anderen Massenänderungen aus Schwerefeldmissionen; und (4) troposphärische Laufzeitverzögerungen von Mikrowellen zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit, z.B. mit Beobachtungen des Global Positioning System (GPS).Erstmals wurden alle vier Parameter konsistent bestimmt, inklusive der einheitlichen Behandlung von zugrundeliegenden Modellen, wie der Verwendung der gleichen Topographie und des gleichen Referenzdrucks, identischer Modelle für die atmosphärischen Gezeiten oder die Reaktion der Ozeane auf Luftdruckschwankungen. Da ein wesentliches Ziel des Global Geodetic Observing Systems (GGOS) die Integration von Beobachtungen der Geometrie, der Rotation und des Schwerefeldes der Erde ist, stellt dieses Projekt einen sehr wichtigen Beitrag für GGOS dar.Außerdem wurden viele weitere Forschungsaufgaben im Projekt behandelt: Der atmosphärische Drehmomentansatz wurde als Alternative zum Drehimpulsansatz für die Polbewegung auf saisonalen Zeitskalen getestet, wobei auch wertvolle Informationen über die Zuverlässigkeit von heutigen atmosphärischen Re-Analysen gewonnen werden konnte. Des Weiteren wurde das Konzept der Strahlverfolgung durch numerische Wettermodelle für die Korrektur von Beobachtungen untersucht, oder die Anwendung der globalen Schwerefeldkoeffizienten zur Reduktion von terrestrischen Schweremessungen. Schließlich wurde ein verbessertes klimatologisches Modell für troposphärische Delays entwickelt, das zur Navigation und Positionierung verwendet werden kann.Die Ergebnisse des Projekts wurden in einer Reihe von Artikeln und Präsentationen auf internationalen Konferenzen vorgestellt, und sie flossen auch in Lehrveranstaltungen an der Technischen Universität Wien ein. Aus diesem Grund wurde ein Lehrbuch "Atmospheric Effects in Space Geodesy" verfasst, das sowohl für Studierende als auch für Forscher auf diesem Gebiet nützlich sein wird.