Variationen der Erdrotation aufgrund der Meeresgezeiten

Kurzperiodische Fluktuationen der Erdrotation, gemessen als Erdrotationsparameter (ERP), werden vorwiegend durch tägliche und subtägliche Meeresgezeiten hervorgerufen. Weitere Ursachen sind thermische Gezeiten der Atmosphäre, angetrieben durch die tägliche Sonneneinstrahlung, und der Effekt des lunisolaren Drehmoments auf die dreiachsige Figur der Erde, bekannt als Libration. Die detaillierte Beschreibung hochfrequenter ERP Variationen ist wesentlich für diverse Probleme der Parameterschätzung in der Weltraumgeodäsie, wie z.B. die Auswertung spezieller VLBI (Very Long Baseline Interferometry) Messungen oder die GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Bahnbestimmung. Zahlreiche Studien zu hochfrequenten ERP Schwankungen, beobachtet mittels GNSS oder VLBI, offenbaren signifikante Abweichungen zwischen der Beobachtungsrealität und dem aktuellen konventionellen Modell für ozeangezeiteninduzierte Erdrotationschwankungen. Das vorrangige Ziel des Projektes SPOT ist die Entwicklung eines hochgenauen Modells für den Einfluss kurzperiodischer Ozeangezeiten auf die Erdrotation, das den Anforderungen moderner geodätischer Forschung und Praxis entspricht. Das Modell wird aus dem neuen globalen Ozeangezeitenmodell EOT11a abgeleitet. EOT11a wird am DGFI (Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut) mittels empirischer Analyse der Daten mehrerer Altimetrie-Satelliten aus fast zwei Dekaden bestimmt. Da EOT11a als empirisches Modell nicht die - maßgeblich zur Anregung der Erdrotation beitragenden - Strömungsgeschwindigkeiten enthält, ist deren Berechnung aus den Gezeitenhöhen einer von drei Hauptarbeitsbereichen des Projektes. Der zweite Schlüsselaspekt ist die Konvertierung des ozeanischen Gezeitendrehimpulses in entsprechende ERP Änderungen, unter Verwendung aktualisierter Transferfunktionen. Eine besondere Neuerung dabei ist die Berücksichtigung der Reaktion der Erde auf die Meeresgezeitenauflast, basierend auf einem realistischen Erdmodell mit anelastischem Mantel. Der dritte Projektteil behandelt den Einfluss von Nebentiden. Gezeitenmodelle liefern üblicherweise nur acht Hauptgezeitenterme, während kleinere Tiden über Admittanzannahmen eingeführt werden müssen. Im vorliegenden Projekt sollen ausgewählte Nebenterme und die resultierenden ERP Variationen direkt aus Altimetriedaten abgeleitet werden. Die aktive Einbindung eines der Hauptentwickler von EOT11a in Projekt SPOT erlaubt eine enge Zusammenarbeit von Erdrotations- und Ozeangezeitenmodellierern und ermöglicht in einzigartiger Weise eine kontinuierliche Anpassung und iterative Verfeinerung des ERP Modells. Eine Modellvalidierung mit VLBI Daten kann in jeder Projektphase durchgeführt werden, da am Institut des Antragstellers eine leistungsfähige VLBI- Auswertegruppe existiert. Zusätzlich zu seiner Relevanz für die Auswertung von Daten der Weltraumgeodäsie wird ein neues Modell der ozeangezeitenbedingten ERP Schwankungen das Studium von Sekundäreffekten, wie Libration und thermische Gezeiten der Atmosphäre, unterstützen und somit die Erdsystemforschung fördern. Da das Modell auch Teil der Transformation zwischen terrestrischem und himmelsfestem Referenzsystem ist, die für alle präzisen Navigationsaufgaben im All benötigt wird, sind die Ergebnisse des Projektes selbst über den wissenschaftlichen Bereich hinaus von signifikanter Bedeutung.

Jüngste Verbesserungen bei der Entwicklung von VLBI (Very Long Baseline Interferometry) und anderen weltraumbasierten geodätischen Verfahren wie GNSS (Global Navigation Satellite Systems) erfordern für verschiedene Aufgaben a-priori Informationen von kurzzeitlichen (täglichen und sub-täglichen) Erdrotationsvariationen. Ein signifikanter Beitrag zur Erdrotationsvariation auf dieser Zeitskala wird durch tägliche und halbtägliche Ozeangezeiten verursacht. Das konventionelle Modell des IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) für die kurzfristigen Variationen in der Erdrotation aufgrund der Ozengezeiten wurde von verschiedenen Gruppen untersucht, die die Notwendigkeit für ein aktualisiertes Modell propagierten.In Zusammenarbeit zwischen der TU Wien, der TU Berlin, dem GFZ Potsdam und dem DGFI an der TU München soll mit diesem Projekt ein alternatives Modell für kurzfristige Erdrotationsvariationen aufgrund von Ozeangezeiten entwickelt und bewertet werden. Dieses verbesserte Modell basiert auf einem Ozeangezeitenmodell (EOT11a), das Altimetermessungen mehrerer Satellitenmissionen seit 1992 inkludiert. Durch die Verwendung eines allein beobachtungsbasierten Modells von Ozeangezeiten hängt dieser Ansatz nicht mehr von der Assimilation der Altimetermessungen in die hydrodynamischen Ozeanmodelle. Auf der anderen Seite ist es notwendig, Gezeitengeschwindigkeiten aus den Höhen der Ozeangezeiten durch einen vereinfachten Inversionsansatz zu bestimmen.In der Vergangenheit war die Modellierung der hochfrequenten Erdrotationsvariationen aufgrund von Ozeangezeiten problematisch, da die Ozeangezeiten-Modellierung unabhängig von der Erdrotationsmodellierung von statten ging. Innerhalb des Projektes SPOT entwickeln wir ein alternatives Modell, bei dem das Ozeangezeiten-Drehimpulsmodell und die Erdrotationsvariationen gemeinsam bestimmt werden. Die enge Zusammenarbeit von Experten der satellitengestützten Ozeangezeitenmodelle, der Erdrotationsmodellierung und der VLBI-Analyse hat die Grundlage für diesen gemeinsamen Ansatz geschaffen. Neben dem Modell der kurzzeitigen Variation der Erdrotationsparameter (ERP), basierend auf dem Ozeangezeitenmodell EOT11a, haben wir auch ERP-Modelle entwickelt, die alternativ das Ozeangezeitenmodell FES2012 und HAMTIDE betrachten. Darüber hinaus haben wir die Auswirkung von Unsicherheiten im Model der elastischen Erde auf die daraus resultierenden ERP-Modelle untersucht. Unser vorgeschlagenes alternatives ERP-Modell basiert auf dem elastischen Modell PREM und beinhaltet 260 Teil-Tiden. Für das Zeitintervall Januar 2010 bis Dezember 2013 wird die VLBI-Analyse unter Berücksichtigung der verschiedenen a-priori-Modelle der kurzzeitigen Ozengezeiten- Erdrotationsvariationen mit und ohne Schätzung des ERP durchgeführt, um die a-priori-Modelle zu bewerten. Das SPOT-Modell liefert in Bezug auf dem WRMS (gewichtete mittlere Standardabweichung) dem konventionellen Modell des IERS vergleichbare Ergebnisse, und stellt damit eine berechtigte Alternative dar. Langzeitstudien (1979-2016) zeigen ähnliche Ergebnisse wobei das empirische Modell EOT11a die deutlichsten Verbesserungen zeigt.