Analiza współrzędnych środka mas Ziemi wyznaczanych technikami GNSS, SLR i DORIS oraz wpływ zmian tych współrzędnych na zmiany poziomu oceanu

Transkrypt

1 Analiza współrzędnych środka mas Ziemi wyznaczanych technikami GNSS, SLR i DORIS oraz wpływ zmian tych współrzędnych na zmiany poziomu oceanu Agnieszka Wnęk 1, Maria Zbylut 1, Wiesław Kosek 1,2 1 Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie 2 Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, Warszawa Seminarium naukowe Wybrane aspekty modelowania zmian poziomu oceanu Wrocław, I. 2013

2 Ruch obrotowy Ziemi Układ odniesienia Pole grawitacyjne Ziemi Przyszłość układu odniesienia ITRF Kształt Ziemi Wymagania Global Geodetic Observing System (GGOS) (2020): <1 mm dokładność układu odniesienia < 0.1 mm/yr stabilność

3 Z TRS / TRF P Początek: środek mas Ziemi O Y Skala: jednostka długości układu SI X Orientacja: równikowa (oś Z skierowana w przybliżeniu do północnego bieguna Ziemskiego)

4 Udział technik geodezji satelitarnej i kosmicznej w realizacji TRF Techniki dynamiczne SLR, GNSS i DORIS Technika VLBI Początek tak nie Skala tak tak Orientacja umowna umowna

5 przy wykorzystaniu 179 stacji zlokalizowanych w 131 miejscach (104 na półkuli północnej oraz 27 na półkuli południowej) ITRF2008 Początek SLR Skala średnia z SLR i VLBI Orientacja nawiązana do ITRF2005

6 Dlaczego obserwacje GNSS i DORIS nie zostały użyte do wyznaczania początku i skali ITRF2008? Błędy modelowania orbit: niedokładność położenia początku układu współrzędnych zwłaszcza w kierunku osi Z. Pomiar pseudoodległości w GNSS: mało precyzyjnie wyznaczona skala. Wyznaczenie skali z obserwacji DORIS ciągle wymaga dalszych udoskonaleń ze względu na stosowanie różnych satelitów (SPOT, T/P, Jason, Envisat, ERS, GFO).

7 Znaczenie początku układu wpływ na wyznaczenie precyzyjnych orbit sztucznych satelitów, wpływ na dokładność wyznaczenia zmian poziomu oceanów na podstawie obserwacji altimetrycznych i mareograficznych, wpływ na dokładność wyznaczenia modeli ruchu płyt tektonicznych, wpływ na dokładność wyznaczania modeli GIA (Glacial Isostatic Adjustment).

8 Różnica pomiędzy CM a CF CM centrum masy Ziemi z uwzgędnieniem atmosfery, oceanów i wód kontynentalnych. CF - środek figury odniesiny do stałej powierzchni Ziemi. RUCH GEOCENTRUM ruch CM względem CF. Początek ITRF CF

9 Przyczyny ruchu środka mas Ziemi Przemieszczanie się mas w obrębie: stałej Ziemi, oceanów, atmosfery, hydrosfery.

10 Współrzędne środka mas Ziemi wyznaczane są obecnie z następujący technik geodezji satelitarnej: SLR (Satellite Laser Ranging) GNSS (Global Navigation Satellite System) DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite)

11 DANE SLR weekly geocenter time series GEOC94-12.GCC from Sos'nica, K., D. Thaller, A. Jäggi, R. Dach, G. Beutler; 2011: *Reprocessing 17 years of observations to LAGEOS-1 and -2 satellites.* Geodätische Woche 2011, Nürnberg, Germany, September 26-29, 2011, aparent geocenter IGS weekly combined solution from ftp://igs-rf.ign.fr/pub/sum/ DORIS IGN/JPL geocenter time series available at Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) from ign09wd01.geoc.z ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/doris/products/geoc/

12 Współrzędne środka mas Ziemi wyznaczone technikami DORIS, GNSS, SLR

13 Odchylenia standardowe, skośności oraz kurtozy szeregów czasowych współrzędnych środka mas Ziemi X, Y, Z wyznaczonych z obesrwacji technikami DORIS, GNSS i SLR Odchylenie standardowe [mm] Skośność Kurtoza X DORIS Y Z X GNSS Y Z X SLR Y Z

14 Zastosowanie analizy falkowej do analiz zmian współrzędnych środka mas Ziemi Analiza falkowa umożliwia badanie szeregów czasowych w czasie jak i w częstotliwości poprzez wyznaczanie współczynników transformaty falkowej, z której można wyznaczyć: zmienne w czasie amplitudy i fazy wybranych oscylacji, falkowe widma mocy, itd. Ponadto dzięki zastosowaniu odwrotnej transformaty falkowej można dokonać: dekompozycji szeregu czasowego na składowe częstotliwościowe, filtracji falkowej, a w szczególności filtracji falkowej opartej na funkcji semblancji.

15 Widma falkowe współrzędnych środka mas Ziemi w płaszczyznach XY YZ i ZX wyznaczonych z obserwacji technik DORIS, GNSS i SLR GNSS DORIS SLR

16

17 Wspólne oscylacje we współrzędnych środka mas Ziemi wyznaczonych technikami GNSS i SLR, obliczone przy użyciu filtracji falkowej opartej na semblancji (próg obcięcia 0.90)

18 Wspólne oscylacje we współrzędnych środka mas Ziemi wyznaczonych technikami GNSS i SLR, obliczone przy użyciu filtracji falkowej opartej na semblancji (próg obcięcia 0.99)

19 Wspólne oscylacje we współrzędnych środka mas Ziemi wyznaczonych technikami GNSS i DORIS, obliczone przy użyciu filtracji falkowej opartej na semblancji (próg obcięcia 0.99)

20 Wspólne oscylacje we współrzędnych środka mas Ziemi wyznaczonych technikami SLR - DORIS, obliczone przy użyciu filtracji falkowej opartej na semblancji (próg obięcia 0.99)

21 Analiza danych modelowych n = 930 t = 7.0 [dni] 1 Model D lub G lub S σ n = 6.2 σ n = 3.7 σ n = 3.3 T i [dni] A i [mm] φ i

22 Widma falkowe modelowych współrzędnych środka mas Ziemi Okresy: , Amplitudy: 0.5 i 0.3 [mm] Okresy: , Amplitudy: 1.0 i 0.6 [mm] Model G σ = 3.7 Model D σ = 6.2 Model S σ = 3.3

23 Wspólne oscylacje w modelach G i S, obliczone przy użyciu filtracji falkowej opartej na semblancji (progi obcięcia 0.90 i 0.99) Próg obcięcia 0.90 Amplitudy: 1.0 oraz 0.6 [mm] Model G σ = 3.7 Model S σ = 3.3 Sygnał deterministyczny Próg obcięcia 0.99

24 Wspólne oscylacje w modelach D i S, obliczone przy użyciu filtracji falkowej opartej na semblancji (progi obcięcia 0.90 i 0.99) Amplitudy: 1.0 oraz 0.6 [mm] Model D σ = 6.2 Próg obcięcia 0.90 Model S σ = 3.3 Próg obcięcia 0.99

25 Wnioski Współrzędne środka mas Ziemi, wyznaczane z obserwacji DORIS, zdominowane są przez szum w paśmie oscylacji krótkooresowych, zwłaszcza w kierunku osi Z ziemskiego układu odniesienia. W szeregach czasowych współrzędnych środka mas Ziemi, wyznaczanych technikami GNSS i SLR, występuje oscylacja roczna w płaszczyźnie równika ziemskiego. Zastosowanie filtracji falkowej z wykorzystaniem semblancji umożliwia wyznaczenie wspólnych oscylacji w dwóch szeregach czasowych. Amplitudy wspólnej oscylacji rocznej we współrzędnych X, Y środka mas Ziemi wyznaczonych z obserwacji GNSS i SLR metodą filtracji falkowej z użyciem funkcji semblancji są zmienne w czasie i rzędu najwyżej kilku mm.

26 Flitracja falkowa z wykorzystaniem funkcji semblancji może zostać użyta do analizy zależności pomiędzy poziomem oceanu a jego temperaturą powierzchniową. Pozwoli to na wyodrębnienie efektu sterycznego ze zmian poziomów oceanów. Eliminacja błędów systematycznych spowodowanych ruchem geocentrum z anomalii poziomów oceanów może skutkować lepszemu wyjaśnieniu ich geofizycznych przyczyn.