Zastosowanie pływowych pomiarów grawimetrycznych w badaniach geodezyjnych, geofizycznych i geodynamicznych

Zastosowanie pływowych pomiarów grawimetrycznych w badaniach geodezyjnych, geofizycznych i geodynamicznych Marcin Rajner Katedra Geodezji i Astronomii Geodezyjnej, Wydział Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej mrajner@gik.pw.edu.pl www.grat.gik.pw.edu.pl/igf 28 października 2016 Seminarium ZFL Instytutu Geofizyki UW

2 pozycjonowanie w geodezji Struktura IAG układy odniesienia ruch obrotowy Ziemi pole siły ciężkości

2 pozycjonowanie w geodezji Struktura IAG ruch obrotowy Ziemi pole siły ciężkości

IUGG 3 IAG w geodezji Struktura IAG

IUGG 3 IAG [C2] Gravity Field [C3] Earth Rotation and Geodynamics w geodezji Struktura IAG [SC3.1] Earth Tides and Geodynamics

IUGG IAG [C2] Gravity Field [C3] Earth Rotation and Geodynamics w geodezji Struktura IAG [SC3.1] Earth Tides and Geodynamics ICET IGETS International Centre for Earth Tides International Geodynamics and Earth Tide Service JWG2.5 Physics and dynamics of the Earth s Interior from gravimetry JSG 0.8 Theory and inversion in gravity-solid Earth coupling 3

4 Badanie pola siły ciężkości i pływów ziemskich Grawimetry Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Klinometry Gradientometry Astrometria Analizy orbit ciał zewnętrznych Ekstensometry

4 Badanie pola siły ciężkości i pływów ziemskich Grawimetry naziemne, satelitarne, morskie, lotnicze balistyczne, nadprzewodnikowe, sprężynowe, atomowe Klinometry Gradientometry Astrometria Analizy orbit ciał zewnętrznych Ekstensometry Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny?

5 Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? g g

Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? g g Więcej szczegółów na kolejnych seminariach 5

6 Grawimetryczne pomiary pływowe Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny?

6 Grawimetryczne pomiary pływowe Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? IGIK PW CBK PAN

100 µgal 10 µgal 1 µgal 100 ngal 1 s 1 h 1 d 1 m 1 y atmosfera Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? 10 ngal 1 ngal 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 okres [s] 7

100 µgal 10 µgal 1 s 1 h 1 d 1 m 1 y ET atmosfera Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? 1 µgal 100 ngal 120 s 0,2 µgal 20 d 10 ngal 1 ngal 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 okres [s] 7

100 µgal 10 µgal 1 µgal 100 ngal 10 ngal 1 s 1 h 1 d 1 m 1 y 1 s 0,01 µgal SG atmosfera 1 10 2 d Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? 1 ngal 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 okres [s] 7

100 µgal 10 µgal 1 µgal 100 ngal 1 s 1 h 1 d 1 m 1 y 2 d atmosfera AG 2 µgal Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? 10 ngal 1 ngal 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 okres [s] 7

8...If I were asked to tell what I mean by the Tides I should feel it exceedingly difficult to answer the question... Lord Kelvin, 1882 Efekty powodowane przez różnicowe grawitacyjne oddziaływanie ciał zewnętrznych Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych

8...If I were asked to tell what I mean by the Tides I should feel it exceedingly difficult to answer the question... Lord Kelvin, 1882 Efekty powodowane przez różnicowe grawitacyjne oddziaływanie ciał zewnętrznych Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa ODDYCHANIE ZIEMI Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych

...If I were asked to tell what I mean by the Tides I should feel it exceedingly difficult to answer the question... Lord Kelvin, 1882 Efekty powodowane przez różnicowe grawitacyjne oddziaływanie ciał zewnętrznych 426.DE MUNDI S YST.EMA T.E altera parte zequatoris; 1[. locum quem luna tribus ante horis occupabat; H locum telluris ei perpendiculariter subjectum; h locum ODDYCHANIE ZIEMI huic oppositum ; It, k loca inde gradibus 9o distantia ; C H, Ch maris altitudines maximas mensuratas a centro telluris ; & CK, Ck altitudines minimas : & si axibus Hh, Kk describatur ellipsis, deinde ellipseos hujus revolutione circa axem majorem Hk describatur spha> rois HP A_h_ k ; designabit K r_ haec figuram marls quam proxime, & erunt C iv', Cf, C D, Cd altitudines maris in locis F, f, D, d. Quinetiam si in a L praefata ellipseos revolutione '". _"... punctum quodvis iv describat, si ""-,, circulum _ATAf, secantem pa-"%/ rallelos /_f, D d in locis qui- p busvis R, T, & aequatorem A E in S; erit C A/- altitudo marls in locis omnibus, R, S, 7", sitis in Rysunek: Newton, 1687 Philosophiænaturalis principia mathematica hoc circulo. Hinc _in revolutione diurna loci cujusvis/p affluxus erit Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 8

pływy morskie pływy skorupy ziemskiej zmiany wysokości zmiany siły ciężkości zmiany kierunku linii pionu zmiany długości, powierzchni, objętości pływy atmosfery pływowe zmiany prędkości obrotowej Ziemi pływowe zmiany orientacji Ziemi efekty pośrednie pływów oceanicznych i atmosferycznych perturbacje ssz ciemna strona księżyca i jego ucieczka rozrywanie ciał niebieskich wzmożona aktywność wulkaniczna Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych trzęsienia Ziemi... 9

10 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych

n = 0 n = 1 n = 2 4 10 3 6 10 1 1 3 10 8 1 10 4 5 10 1 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona n = 3 n = 4 n = 5 Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 2 10 2 3 10 4 5 10 6 2 10 5 8 10 10 4 10 14 11

12 V = Gm r Laplace ( ) R n f(ϕ, δ, t) r n=2 Przykłady zjawisk pływowych Doodson = { A(K 1 6, R, ϕ) sin (a 1 τ + a 2 ṡ + a 3 ḣ + a 4 ṗ + a 5 N + a 6 p s )t τ 24,833 h średni czas księżycowy ṡ 27,3 d średnia długość Księżyca ḣ 365,25 d średnia długość Słońca ṗ 8,8 lat średnia długość perigeum orbity Księżyca Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe } Analiza pływowa N 18,6 lat średnia długość węzła wstępującego orbity Księżyca p s 20 942 lat średnia długość perigeum orbity Słońca Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych

Fale pływowe 0 cpd 1 cpd 2 cpd 3 cpd 4 cpd 1,2 M 2 1 Przykłady zjawisk V [ m 2 s 2] 0,8 0,6 M 0 S 2 O 1 K1 pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 0,4 0,2 S 0 P1 N 2 M f K 2 Q 1 0 0 10 20 30 40 50 60 f [ h -1] 13

Fale pływowe 0 cpd 1 cpd 2 cpd 3 cpd 4 cpd log V [ m 2 s 2] M 2 M 0 O 1 K1 S 2 S 0 Mf P 1 N 2 Q 1 K 2 M 3 M 4 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 0 10 20 30 40 50 60 f [ h -1] 13

Fale pływowe ϕ = 0 0 cpd 1 cpd 2 cpd 80 M 2 60 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych γ [µgal] 40 S 2 Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 20 M 0 S 0 N 2 M f K 2 0 5 10 15 20 25 30 35 f [ h -1] 13

80 Fale pływowe ϕ = 52 0 cpd 1 cpd 2 cpd 60 Przykłady zjawisk pływowych γ [µgal] 40 20 M 0 O 1 K1 M 2 Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych S2 P 1 S 0 M f Q 1 N 2 K 2 0 5 10 15 20 25 30 35 f [ h -1] 13

Fale pływowe ϕ = 90 0 cpd 1 cpd 2 cpd 80 60 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych γ [µgal] 40 M 0 Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 20 S 0 M f 0 5 10 15 20 25 30 35 f [ h -1] 13

100µGal Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych 15 d 14

15 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych

16 Wyznaczanie współczynników grawimetrycznych δ = 1 3 2 k + h = 1,16 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Równanie obserwacyjne, n v t = R i δ i cos(φ it + Φ i ) P t D t n=1 Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Kiedyś współczynniki grawimetryczne dawały informacje o budowie Ziemi, a opóźnienie fazowe miało dać informacje o lepkości płaszcza.

17 6 Nd Nd BC Nd Nd [nm s 2 ] 3 0 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra 3 6

18 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra Rysunek: Rosat i in., 2004 Performance of superconducting pectral densities of the quietest period of 15 continuous days of a year (1998 for all the stations, except Moxa (1996) gravimeters and Sutherland from(2000)) long-period at 19 GGP seismology stations. The high to frequency tides decrease is due to the decimation filter

1,0 0S2 0S3 0S4 0S0 0S5 1S3 0S6 1S4 0S7 0S8 0S9 0S10 0S11 0S12 0S13 0S14 0S15 0S16 0S17 0S18 0S19 0S20 0S21 0S22 0S23 0S24 0S25 0S26 0S27 0S28 0S29 0S30 0S31 0S32 0S33 0S34 0S35 0S36 0S37 przed EQ po EQ [nm s 2 ] 0,5 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 częstotliwość [mhz] 19

amplituda [nm s 2 ] 4 3 2 1 0S 23 model obs 0S 16 0,8 0,6 0,4 0,2 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra 5 10 2 0 5 0 5 10 15 20 25 30 czas [h] 10 3 2 0 2 0 4 8 12 4 czas [h] 20

P 1 S 1 K 1 ψ 1 ϕ 1 1,30 δreal 1,25 1,20 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra 1,15 1,10 14,95 15,00 15,05 15,10 15,15 częstotliwość [ /h] 21

P 1 S 1 K 1 ψ 1 ϕ 1 1,30 δreal 1,25 1,20 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra 1,15 1,10 15,00 15,10 częstotliwość [ /h] 415 430 445 460 dni 21

P 1 S 1 K 1 ψ 1 ϕ 1 1,30 1,25 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi δreal 1,20 PDF FCN Mody jądra 1,15 1,10 Q 1240 15,00 15,10 częstotliwość [ /h] 3,00 3,20 3,40 log 10 Q 21

S. Rosat et al. / Journal of Geodynamics 38 (2004) 461 476 473 Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra Rysunek: Rosat i in., 2004 Performance of superconducting gravimeters from long-period seismology to tides 22

Na zakończenie Dziękuję Pominięte zastosowania: badania atmosferyczne badania hydrologiczne badania glacjologiczne (wypiętrzanie polodowcowe) pośrednie efekty pływów oceanicznych odniesienie i weryfikacja innych metod pomiarowych

2 Literatura 100µGal

2 Literatura δ 0 100µGal

3 Literatura Newton, I. (1687). Philosophiænaturalis principia mathematica. J. Societatis Regiae ac Typis J. Streater. Rosat, S., J. Hinderer, D. Crossley i J. Boy (2004). Performance of superconducting gravimeters from long-period seismology to tides. Journal of Geodynamics 38.3 5. Time Varying Gravimenty, GGP, and Vertical Crustal Motions, str. 461 476.