Terrestrische und flugzeuggestützte Gravimetrie
Dr. Christoph Förste
Auf dem Telegrafenberg in Potsdam hat die Gravimetrie eine lange Tradition. Hier wurde vor mehr als 100 Jahren am früheren Geodätischen Institut Potsdam begonnen, die Schwerkraft der Erde mit Pendeln genau zu vermessen. Später erfolgte der Einsatz von Feder-Gravimetern. Heute werden am GFZ in der Sektion 1.2 zwei moderne gravimetrische Messverfahren angewendet: Supraleitgravimetrie sowie Gravimetrie auf bewegten Plattformen (Flug- und Schiffsgravimetrie).
Nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz ist die Erdanziehungskraft proportional zur Masse der dem Schwerefeld der Erde ausgesetzten Körper, d.h. alle Körper erfahren dieselbe Fallbeschleunigung. Deshalb wird in Geodäsie und Geophysik üblicherweise die Fallbeschleunigung zur Beschreibung des Erdschwerefeldes verwendet.
Terrestrische Schweremessungen bestehen aus der Bestimmung der Vertikalkomponente der Fallbeschleunigung g an der Erdoberfläche. Ziel dieser Messungen ist die Bestimmung räumlicher und zeitlicher Schwerevariationen. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Fallbeschleunigung an der Erdoberfläche eine Überlagerung der gravitativen Massenanziehungskräfte mit der deutlich kleineren, von der Rotationsachse der Erde nach außen gerichteten Zentrifugalkraft darstellt. Diese effektive Schwerebeschleunigung wird als Schwere bezeichnet. Außerdem erzeugen Massendichte-Inhomogenitäten und zeitliche Massenumlagerungen im Erdinneren räumliche und zeitliche Variationen der Schwerkraft an der Erdoberfläche, die mit Gravimetern detektiert und registriert werden können. In diesem Zusammenhang gestatten gravimetrische Vermessungen auch die Untersuchung geologischer Strukturen wie Störungszonen, Verwerfungen, Salzstöcke und vulkanische Formationen sowie Erzlagerstätten.
Die stärksten Schwankungen der Schwerekraft werden durch die sich periodisch ändernden Positionen von Mond und Sonne gegenüber der Erde und die damit verbundenen Deformationen des Erdkörpers verursacht (Ozean- und Erdgezeiten sowie dadurch induzierte Auflast-Effekte)
Beispiele für Schwerevariationen bzw. Schwerkraftunterschiede (Δg) an der Erdoberfläche (ausgedrückt als Fallbeschleunigung):
- Der Unterschied in der Schwerebeschleunigung zwischen Pol und Äquator auf Grund der Abplattung der Erde, d.h. unterschiedlicher Abstand zum Erdmittelpunkt (Massenzentrum) und unterschiedliche Zentrifugalbeschleunigung (maximal am Äquator, am Pol gleich Null): Δg ~ 5•10-2 m/s²
- Schwerkraftunterschiede zwischen Tiefseegräben und den höchsten Bergen: Δg ~ 5•10-2 m/s²
- Erdgezeiten: bis zu Δg ~ 3•10-6 m/s²
- Schwerevariationen durch Massenumlagerungen in der Atmosphäre: bis zu Δg ~ 2•10-7 m/s²
- Schwereänderungen durch längerfristige Massenumlagerungen auf den Kontinenten: in der Größenordnung von Δg ~10-7 m/s2
- Erhöhung der Schwerkraft durch Anstieg des Grundwasserspiegels um 1m: Δg ~ 4•10-8 m/s2
Supraleit-Gravimetrie
Zeitliche Schwereänderungen können mit Absolut- und Relativ-Gravimetern registriert werden. Die genauesten und zeitlich stabilsten Relativ-Gravimeter sind Supraleit-Gravimeter (SG). Diese Instrumente gehören im Prinzip zu den Feder-Gravimetern. Aber im Gegensatz zu klassischen Feder-Gravimetern besitzen Supraleit-Gravimeter keine mechanische Feder sondern ein „virtuelles Feder-Design“. Das bedeutet, dass eine mit flüssigem Helium gekühlte, supraleitende diamagnetische Kugel im hochstabilen Magnetfeld eines supraleitenden Elektromagneten schwebt.
Wie alle Gravimeter registriert auch ein Supraleit-Gravimeter nur die Summe aller Schwerevariationen aus der näheren und weiteren Umgebung des Messpunkts. D.h. die SG-Aufzeichnungen umfassen Schwereeffekte verschiedener Quellen. Hinzu kommt, dass der Sensor in einem Gravimeter aufgrund des Einsteinschen Äquivalenzprinzips sowohl Änderungen der Newtonschen Gravitationskraft (auf Grund von Massenverlagerungen und Dichteänderungen) als auch Trägheitskräfte durch Beschleunigungen registriert.
Um die verschiedenen Schwere-Komponenten in der Zeitreihe eines Gravimeters zu trennen, sind ausgeklügelte Analyse-Verfahren unter Einbeziehung anderer Messdaten wie meteorologische und hydrologische Registrierungen notwendig.
Zu den Forschungsthemen im Zusammenhang mit der Supraleitgravimetrie gehören:
- Schwereänderungen durch Massenumlagerungen in Atmosphäre und Hydrosphäre
- Vergleich und Interpretation von mit Satelliten gemessenen Schwere-Variationen am Boden
- Untersuchung von Ozean-Gezeitenmodellen und hydrologischen Modelle
- Schwingungen des inneren Erdkerns (Slichter-Triplet)
- Eigenschwingungen der Erde
Gegenwärtig sind weltweit ca. 30 Supraleit-Gravimeter im Rahmen des IAG-Services International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) in permanentem Messbetrieb installiert. Das GFZ betreibt die IGETS-Datenbank und stellt die Daten seiner beiden Supraleit-Gravimeter aus den geodynamischen Observatorien SAGOS (South African Geodynamic Observatory Sutherland“ und ZUGOG (Zugspitze Geodynamic Observatory Germany) zur Verfügung.
Das Zugspitze Geodynamic Observatory Germany (ZUGOG) wird Ende 2017 auf dem Gipfel der Zugspitze in den Alpen vorbereitet. Die wesentlichen Zielsetzungen sind zum einen die Validierung und Kalibrierung der Satellitenmission GRACE Follow-On und zum anderen die Unterstützung laufender Untersuchungen zu alpinen Gebirgsbildungsprozessen und zu klimarelevanten hydrologischen Veränderungen eingebettet in die Aktivitäten der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus.
South African Geodynamic Observatory Sutherland (SAGOS)
Das South African Geodynamic Observatory Sutherland (SAGOS) des GFZ wurde zwischen 1998 und 2000 eingerichtet und beruht auf einem 1998 zwischen dem GFZ und der National Research Foundation (NRF) South Africa unterzeichneten Kooperationsvertrag. Das Observatorium befindet sich auf dem Campus des South African Astronomical Observatory (SAAO) und wird durch Mitarbeiter von SAAO und GFZ gemeinsam unterhalten.
Das SAGOS-Observatorium befindet sich ca. 350 km nordöstlich von Kapstadt (bei 20.81° östlicher Länge und 32.38° südlicher Breite in ca. 1755 m Höhe über dem Meeresspiegel). Die Küste des Südatlantischen Ozeans ist ca. 200 km entfernt. Die Region um Sutherland ist tektonisch gesehen eine sehr ruhige Zone, weit entfernt vom tektonisch aktiven Ostafrikanischen Grabenbruch. Geologisch handelt es sich hier um ein großes Dolorit-Plateau mit einer mehrere Kilometer mächtigen Lage Dolorit. Der in Sutherland unmittelbar anstehende Fels ermöglicht eine sehr gute Ankopplung der für die Supraleit-Gravimetrie (SG) installierten Pfeiler an das Grundgestein. Die Umgebung ist eine einsame Gegend ohne Industrie und Mikro-Seismizität.
Klimatisch gesehen liegt Sutherland an einem Übergang zwischen Sommer- und Winter-Niederschlagszonen. Dadurch treten keine starken jahreszeitlichen Temperaturschwankungen auf. Das Observatorium wurde außerdem in einem Hügel unter der Erdoberfläche errichtet (siehe obenstehende Abbildung) und ist dadurch vor störenden Umwelteinflüssen wie starken Winden und Temperaturschwankungen gut geschützt. Alle Räume sind thermisch isoliert und die Messkammer ist mit einer Klimaanlage ausgestattet. In der Messkammer befinden sich drei Pfeiler, die direkt im Dolorit-Fels gegründet sind. Zwei dieser Pfeiler dienen der Aufstellung von Supraleit-Gravimetern oder anderen geophysikalischen Messinstrumenten. Der dritte Pfeiler ist für Absolut-Schweremessungen vorgesehen, die in gewissen Zeitabständen zur Kalibrierung der Supraleit-Gravimeter durchgeführt werden müssen. In der äußeren Umgebung des Observatoriums wurden vier weitere Pfeiler zur Aufnahme von GNSS-Antennen oder anderen geodätischen Vermessungsinstrumenten errichtet.
SAGOS ist ein hochgenau registrierendes geodynamisches Observatorium, das geowissenschaftliche Raumverfahren und Boden-Instrumente umfasst. Gegenwärtig sind hier folgende Messsysteme installiert:
- Ein Supraleit-Gravimeter (OSG D037), das Teil des IAG-Services International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) ist. Ein weiteres Supraleit-Gravimeter (OSG 052) registrierte Messdaten zwischen 2008 und 2017, bis es im September 2017 deinstalliert wurde für den Betrieb auf der Zugspitze (ZUGOG). Die Messdaten beider Supraleit-Gravimeter (SG) stehen registrierten Nutzern in der IGETS-Datenbank des GFZ Potsdam zum Herunterladen zur Verfügung. Bei Benutzung des Datensatzes sollte folgende Referenz angegeben werden: Förste, C., Voigt, C., Abe, M., Kroner, C., Neumeyer, J., Pflug, H., Fourie, P. (2016) Superconducting Gravimeter Data from Sutherland – Level 1. GFZ Data Services. http://doi.org/10.5880/igets.su.l1.001
Supraleit-Gravimeter gestatten eine stationäre und kontinuierliche Registrierung zeitlicher Variationen des Erdschwerefelds mit sehr hoher Genauigkeit. Diese Messungen dienen hauptsächlich der Untersuchung von Massentransport-Phänomenen im System Erde, die mit Prozessen in der Atmosphäre und der Hydrosphäre zusammenhängen. Außerdem können damit global ablaufende, geodynamische Variationen des Erdschwerefelds wie Kernschwingungen, Erd- und Ozeangezeiten sowie Auflasteffekte studiert werden.
- Ein lokales Netz hydrologischer Sensoren für Bodenfeuchte und Grundwasserspiegel in Kooperation mit Sektion 5.4, deren Daten zusammen mit den hier ebenfalls registrierten meteorologischen Messungen für die Interpretation der SG-Messungen notwendig sind.
- Ein permanent installierter GNSS-Empfänger (Stationsbezeichner: sutm) als Referenzstation des International GNSS Service (IGS). Die Daten dieser Station werden innerhalb der internationalen geodätischen Gemeinschaft für die Bestimmung globaler und regionaler Bezugssysteme, zur Untersuchung der Kontinentaldrift, für die Berechnung von Satellitenbahnen u.a. verwendet.
- Ein dreiachsiges Magnetometer, das hauptsächlich für Untersuchungen der Pulsationen des Erdmagnetfelds genutzt wird. Zusätzlich wird es auch zum Vergleich mit satellitenbasierten Magnetfeldmessungen verwendet. Das Magnetometer wurde in Zusammenarbeit mit dem Hermanus Geomagnetic Observatory installiert. Diese südafrikanische Forschungseinrichtung nutzt die magnetischen Messdaten aus Sutherland zum Beispiel im internationalen Projekt PLASMON, das durch die Eötvös-Loránd-Universität in Ungarn koordiniert wird.
ZUGOG
Das Zugspitze Geodynamic Observatory Germany (ZUGOG) wurde im September 2018 auf dem Gipfel der Zugspitze in den Europäischen Alpen in Betrieb genommen. Die wesentlichen Zielsetzungen sind zum einen die Validierung und Kalibrierung der Satellitenmission GRACE Follow-On und zum anderen die Unterstützung laufender Untersuchungen zu alpinen Gebirgsbildungsprozessen und zu klimarelevanten hydrologischen Veränderungen eingebettet in die Aktivitäten der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus. Dieses zweite geodynamische Observatorium des GFZ umfasst das Supraleitgravimeter OSG 052, das zuvor in Sutherland betrieben wurde, eine permanente GNSS-Station und ein lokales Netzwerk von hydrologischen und meteorologischen Sensoren. Die Messdaten des Supraleitgravimeters stehen registrierten Nutzern in der IGETS-Datenbank des GFZ Potsdam zum Herunterladen zur Verfügung. Bei Benutzung des Datensatzes sollte folgende Referenz angegeben werden:
Voigt, C., Pflug, H., Foerste, C., Flechtner, F., Rehm, T. (2019) Superconducting Gravimeter Data from Zugspitze – Level 1. GFZ Data Services. http://doi.org/10.5880/igets.zu.l1.001
Publikationen zu ZUGOG
Timmen, L., Gerlach, C., Rehm, T., Völksen, C., Voigt, C. (2021): Geodetic-Gravimetric Monitoring of Mountain Uplift and Hydrological Variations at Zugspitze and Wank Mountains (Bavarian Alps, Germany). - Remote Sensing, 13, 5, 918.
https://doi.org/10.3390/rs13050918
Voigt, C., Schulz, K., Koch, F., Wetzel, K.-F., Timmen, L., Rehm, T., Pflug, H., Stolarczuk, N., Förste, C., Flechtner, F. (2021): Technical note: Introduction of a superconducting gravimeter as novel hydrological sensor for the Alpine research catchment Zugspitze. - Hydrology and Earth System Sciences, 25, 9, 5047-5064.
https://doi.org/10.5194/hess-25-5047-2021
HELGOG
Das Helgoland Gravimetric Observatory Germany (HELGOG) wurde im März 2020 im Keller der Biologischen Anstalt Helgoland (BAH) des Alfred Wegener Instituts AWI, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Betrieb genommen. Die wesentliche Zielsetzung ist die Analyse der gezeitenbedingten und nicht-gezeitenbedingten Ozeanauflasten in der Nordsee zur Validierung und Kalibrierung der Satellitenmission GRACE Follow-On. Das Observatorium umfasst das Supraleitgravimeter iGrav 047. Die Messdaten des Supraleitgravimeters stehen registrierten Nutzern in der IGETS-Datenbank des GFZ Potsdam zum Herunterladen zur Verfügung. Bei Benutzung des Datensatzes sollte folgende Referenz angegeben werden:
Voigt, C., Stolarczuk, N., Pflug, H., Förste, C., Flechtner, F., Peters, H., Fietz, M. (2020): Superconducting Gravimeter Data from Helgoland - Level 1.
https://doi.org/10.5880/igets.he.l1.001
Publikationen zu HELGOG
Voigt, C., Sulzbach, R., Timmen, L., Dobslaw, H., Weise, A., Deng, Z., Stolarczuk, N., Pflug, H., Peters, H., Fietz, M., Thomas, M., Förste, C., Flechtner, F. (2023 online): A superconducting gravimeter on the island of Heligoland for the high-accuracy determination of regional ocean tide loading signals of the North Sea. - Geophysical Journal International. https://doi.org/10.1093/gji/ggad147
Weise, A., Timmen, L., Deng, Z., Gabriel, G., Rothleitner, C., Schilling, M., Voigt, C. (2020): Observing Ocean Mass Variability with Spring Gravimeters – Storm Surge Induced Signals on the North Sea Island Helgoland. - AVN Allgemeine Vermessungsnachrichten, 127, 4, 163-173.
Flug- und Schiffsgravimetrie
Mit Hilfe von Satelliten (präzise Vermessung der Bahnstörungen, Abstandsmessungen zwischen 2 Satelliten, Satelliten-Gradiometrie) kann man globale Gravitationsfeldmodelle sehr homogen über Kontinente und Ozeane hinweg berechnen. Da Satelliten aber hoch über der Erdoberfläche fliegen, ist die räumliche Auflösung der Schwerefeldvermessung begrenzt. Demgegenüber lässt sich das Schwerefeld mit traditioneller terrestrischer Gravimetrie am Erdboden mit sehr hoher räumlicher Auflösung messen. Aber die homogene terrestrische gravimetrische Vermessung einer größeren Region ist nur mit großem ökonomischen und zeitlichen Aufwand, oder, wie z.B. im Hochgebirge, in Dschungelgebieten oder in der Antarktis, überhaupt nicht möglich. Und auch auf Seen und Meeren lassen sich wegen der Wellenbewegung der Schiffe keine klassischen Federgravimeter verwenden. Die Flug- und Schiffsgravimetrie kann dazu verwendet werden, diese Lücke zwischen traditioneller und Satelliten-Gravimetrie zu schließen, um beispielsweise regionale Schwerefeldmodelle zu entwickeln. Dank der Verfügbarkeit der GNSS-Systeme findet die Flug- und Schiffsgravimetrie nicht nur in der geowissenschaftlichen Grundlagenforschung und in der Lagerstätten-Erkundung Anwendung, sondern wird auch in der Geodäsie bei der Geoidbestimmung zur Vereinheitlichung nationaler Höhensysteme genutzt.
Für den Einsatz auf Flugzeugen und Schiffen wurden speziell konstruierte transportable Feder-Gravimeter entwickelt, die auf kreisel-stabilisierten Plattformen installiert sind. Dazu gehören GNSS-Empfänger, deren Messungen die notwendige Reduktion der nicht-gravitativen Störbeschleunigungen der Messplattform gestatten. Für die Vermessung des Schwerefelds auf Schiffen oder Flugzeugen kommen aber zunehmend auch spezielle Trägheits-Navigationssysteme zum Einsatz, deren Beschleunigungsmesser die notwenige Genauigkeit und Driftstabilität besitzen. Diese auch als Strapdown-Gravimeter bezeichneten Geräte sind fest auf dem bewegten Vehikel installiert und arbeiten ohne kreisel-stabilisierte Plattform. Mittlerweile gibt es erfolgversprechende technologische Entwicklungen, neuartige Quantengravimeter auch auf Flugzeugen und Schiffen als mobile Gravimeter einzusetzen.
Das GFZ besitzt seit mehr als zehn Jahren ein mobiles Gravimeter vom Typ Chekan-AM, das von der russischen Firma CSRI "Elektropribor"hergestellt wurde und 2017 eine neue Sensoreinheit erhielt. Im Bereich der Fluggravimetrie kam dieses Gerät zusammen mit mehreren GNSS-Empfängern vom Typ JAVAD Delta G3T im Rahmen der GEOHALO-Mission zum Einsatz. Später erfolgte über mehrere Jahre ein intensiver Einsatz in der Schiffsgravimetrie im FAMOS-Projekt.
Seit kurzem verfügt das GFZ über ein neuartiges Strapdown-Gravimeter vom Typ iCORUS des Herstellers iMAR Navigation & Control. Das iCORUS wird gegenwärtig zusammen mit dem Chekan-Gravimeter in der Schiffsgravimetrie auf der Nordsee eingesetzt. Ziel ist die Geoid-Bestimmung auf der Nordsee.
Literatur
Boy, J.-P., Barriot, J.-P., Förste, C., Voigt, C., Wziontek, H. (2020 online): Achievements of the First 4 Years of the International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) 2015–2019. - In: (International Association of Geodesy Symposia ), Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag. https://doi.org/10.1007/1345_2020_94
Förste, C., Ince, E. S., Johann, F., Schwabe, J., Liebsch, G. (2020): Marine Gravimetry Activities on the Baltic Sea in the Framework of the EU Project FAMOS. - ZfV: Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, 145, 5, 287-294. https://doi.org/10.12902/zfv-0317-2020
Ince, E. S., Förste, C., Barthelmes, F., Pflug, H., Li, M., Kaminskis, J., Neumayer, K., Michalak, G. (2020): Gravity Measurements along Commercial Ferry Lines in the Baltic Sea and Their Use for Geodetic Purposes. - Marine Geodesy, 43, 6, 573-602. https://doi.org/10.1080/01490419.2020.1771486
Ince, E. S., Barthelmes, F., Reißland, S., Elger, K., Förste, C., Flechtner, F., Schuh, H. (2019): ICGEM – 15 years of successful collection and distribution of global gravitational models, associated services and future plans. - Earth System Science Data, 11, 647-674. https://doi.org/10.5194/essd-11-647-2019
Voigt, C., Schulz, K., Koch, F., Wetzel, K.-F., Timmen, L., Rehm, T., Pflug, H., Stolarczuk, N., Förste, C., Flechtner, F. (2021): Technical note: Introduction of a superconducting gravimeter as novel hydrological sensor for the Alpine research catchment Zugspitze. - Hydrology and Earth System Sciences, 25, 9, 5047-5064. https://doi.org/10.5194/hess-25-5047-2021
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