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

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, 14 15. I. 2013

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

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)

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

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

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).

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).

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

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

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)

DANE SLR weekly geocenter time series GEOC94-12.GCC from 1994.0 2012.0. 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, http://www.bernese.unibe.ch/publist/2011/pres/ks_geod_woche.pdf aparent geocenter IGS weekly combined solution from 1994.0 2012.6. ftp://igs-rf.ign.fr/pub/sum/ DORIS IGN/JPL geocenter time series available at Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) from 1993.0 2011.4. ign09wd01.geoc.z ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/doris/products/geoc/

Współrzędne środka mas Ziemi wyznaczone technikami DORIS, GNSS, SLR

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 5.76-0.10-0.20 DORIS Y 6.88-0.32 0.77 Z 25.65-0.45 0.38 X 3.04 0.28 0.54 GNSS Y 4.40 0.19 1.38 Z 5.68-0.01-0.20 X 3.39 0.04 0.54 SLR Y 3.26 0.19 1.10 Z 6.18 0.90 3.36

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.

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

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

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

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

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

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] 365.2422 182.6211 A i [mm] 0.5 0.3 φ i 0 0 2 365.2422 182.6211 1.0 0.6 0 0

Widma falkowe modelowych współrzędnych środka mas Ziemi Okresy: 365.2422, 182.6211. Amplitudy: 0.5 i 0.3 [mm] Okresy: 365.2422, 182.6211. Amplitudy: 1.0 i 0.6 [mm] Model G σ = 3.7 Model D σ = 6.2 Model S σ = 3.3

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

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

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.

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.