Terrestrische und flugzeuggestützte Gravimetrie

Leiter: Dr. Christoph Förste

Auf dem Telegrafenberg in Potsdam hat die terrestrische Gravimetrie eine lange Tradition. Hier wurde vor mehr als 100 Jahren am früheren Geodätischen Institut Potsdam begonnen, die Schwerkraft der Erde mit Pendeln und Gravimetern genau zu vermessen. Heute werden am GFZ in der Sektion 1.2 zwei moderne gravimetrische Messverfahren angewendet: Supraleit- und Fluggravimetrie.

Nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz ist die Erdanziehungskraft proportional zur Masse der dem Schwerefeld der Erde ausgesetzen Körper, d.h. alle Körper erfahren dieselbe Fallbeschleunigung. Deshalb wird in Geodesie 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 gravimterische 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
  • Schwerevarationen durch Massenumlagerungen in der Atmosphär: bis zu
    Δg ~ 2•10-7 m/s²
  • Schwereänderungen durch längerfristige Massenumlagerungen auf den Kontinenten: in der Größenordnung von Δg ~10-7 m/s
  • Erhöhung der Schwerkraft durch Anstieg des Grundwasserspiegels um 1 meter:  Δg ~ 4•10 -8 m/s

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 registiert 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 aus dem South African Geodynamic Observatory Sutherland (SAGOS) zur Verfügung, wo zur Zeit zwei Supraleit-Gravimeter im Einsatz sind.

Flugzeuggestützte Gravimetrie

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. Die Flugzeuggestützte Gravimetrie kann dazu verwendet werden, diese Lücke zwischen traditioneller und Satelliten-Gravimetrie zu schließen, um beispielsweise regionale Schwerefeldmodelle zu entwickeln. Dank der Verfügbrtkeit der GNSS-Systeme findet die Fluggravimetrie 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.

Moderne Gravimeter für die Flugzeuggestützte Gravimetrie sind speziell konstruierte transportable Feder-Gravimeter, die auf kreisel-stabilisierten Plattformen installiert sind. Dazu gehören GNSS-Empfänger und Trägheits-Naviationssysteme, deren Messungen die notwendige Reduktion der nicht-gravitativen Störbeschleunigungen der Messplattform gestatten.

Messprinzip der Fluggravimetrie: Das Gravimeter im Flugzeug misst die Summe aller senkrechten Beschleunigungen (gelber Pfeil). Die nicht-gravitativen kinematischen Beschleunigungen (grüne Pfeile) werden aus der mit GNSS vermessenen Flugbahn abgeleitet. Die Differenzen aus gemessenen und kinematischen Beschleunigungen ergeben die Schwerebeschleunigungen auf der Flugbahn. Da das Gravimeter ein Relativ-Gravimeter ist, sind die Variationen der Schwerebeschleunigungen zwischen verschiedenen Positionen das interessierende Messergebnis. Die Herausforderung dieses Verfahrens resultiert daraus, dass diese Variationen Millionen mal kleiner als die volle Schwerebeschleunigung selbst sind

Das Instrumentarium am GFZ für Flugzeuggestützte Gravimetrie besteht aus einem
mobilen Gravimeter Chekan-AM hergestellt durch CSRI "Elektropribor", einem Trägheits-Naviationssystem (INS) AEROcontrol-II und vier 4 GPS-Empfängern vom Typ JAVAD Delta G3T.

Literatur

Abe, M., Kroner, C., Förste, C., Petrovic, S., Barthelmes, F., Weise, A., Güntner, A., Creutzfeldt, B., Jahr, T., Jentzsch, G., Wilmes, H., Wziontek, H. (2012): A comparison of GRACE-derived temporal gravity variations with observations of six European superconducting gravimeters. Geophysical Journal International, 191, 2, p. 545-556, doi.org/10.1111/j.1365-246X.2012.05641.x

Weise, A., Kroner, C., Abe, M., Creutzfeldt, B., Förste, C., Güntner, A., Ihde, J., Jahr, T., Jentzsch, G., Wilmes, H., Wziontek, H., Petrovic, S. (2012): Tackling mass redistribution phenomena by time-dependent GRACE- and terrestrial gravity observations. Journal of Geodynamics, 59-60, p. 82-91, doi.org/10.1016/j.jog.2011.11.003

Neumeyer, J. (2010): Superconducting Gravimetry. In: G. Xu (eds.), Sciences in Geodesy - I, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, doi:10.1007/978-3-642-11741-1_10

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