Arctic GNSS Ice Detection

ArGID

Die Frequenzen der GNSS Signale liegen im L-band. Diese Signale besitzen besondere Eigenschaften in der Wechselwirkung mit Wasser im flüssigen und festen Zustand. Sie durchlaufen trockenen Schnee aber werden nahezu vollständig an der Meeresoberfläche reflektiert. Daher ist die Interpretation reflektierter GNSS Signale vielversprechend um Meereis zu charakterisieren, das wichtige Eigenschaften des festen und flüssigen Zustands zeigt. Die Bestimmung der Meereisstruktur und -dicke sind dabei wichtige Ziele um die arktische und antarktische Eisbedeckung im Zuge der dramatischen Klimaveränderungen in the Polarregionen besser zu bewerten.

Messungen der Amplitude des reflektierten Signals ermöglichen es die Meereiskonzentration zu bestimmen, sowie potentiell die Eisstruktur, vor allem Wasser-, Salzgehalt und Rauhigkeit. Die Auflösung der Dopplerverschiebung des reflektierten Signals liefert perspektivisch auch Informationen zur Meereisdicke.

Das ArGID Projekt erforscht Meereisbeobachtungen, die von einem GNSS-R Aufbau des GFZ aufgezeichnet wurden während einer gezielten Schiffexpedition unter Führung des Norweg. Polarinstituts (NPI). Allgemeines Ziel der Expedition des Forschungsschiffs „R/V Lance“ sind Daten zu Ozean- und Meereiseigenschaften in der Framstraße, der wichtigsten Verbindung des  Arktischen und Atlantischen Ozeans, zu sammeln. Ähnliche GNSS-R Aufbauten (basierend auf dem GORS Empfänger) wurden küstengestützt und für Flugexperimente genutzt [Semmling et al. 2011, 2014].

Das Messkonzept und die anvisierten Ziele des ArGID Projekts sind in Abb. 1 gezeigt.

Der GNSS Aufbau weicht von herkömmlicher Schiffsausrüstung ab. Es umfasst eine steuerbord-schauende Antenne mit rechts- und links-zirkularer Polarisation (RHCP, LHC) zusätzlich zu der nach oben schauenden Antenne. Die Antennen liegen nah beieinander im Krähennest etwa 25m über der Wasserlinie. Die reflektierte Leistung der RHCP und LHCP Signalkomponenten kann durch die steuerbord-schauende Antenne gewonnen werden.

Die Reflektionssignaturen zeigen deutlichen Einfluss des Meereises, siehe Abb. 2. Zeiträume hoher Eiskonzentration (B,C), ruhigen offenen Gewässers (D) und hohen Seegang (A) unterscheiden sich deutlich in der Leistungsverteilung. Höchste Leistung ergibt sich für D, deutlich geringer für B,C und am geringsten (auch mit erhöhten Rauschen, nicht gezeigt) für A.

Mehr Aspekte zu den ersten Ergebnissen finden sich in [Semmling et al. 2017]. Weitere Messungen in der Framstraße sind in Vorbereitung um die Erkenntnisse aus 2016 zu bestätigen.

Referenzen

Semmling, A. M.; Beyerle, G.; Stosius, R.; Dick, G.; Wickert, J.; Fabra, F.; Cardellach, E.; Ribo, S.; Rius, A.; Helm, A.; Yudanov, S. & d'Addio, S. Detection of Arctic Ocean tides using interferometric GNSS-R signals Geophysical Research Letters, 2011, 38, L04103

Semmling, A. M.; Beckheinrich, J.; Wickert, J.; Beyerle, G.; Schön, S.; Fabra, F.; Pflug, H.; He, K.; Schwabe, J. & Scheinert, M. Sea surface topography retrieved from GNSS reflectometry phase data of the GEOHALO flight mission Geophysical Research Letters, 2014, 41, 954-960

Semmling, M.; Rösel, A.; Ludwig, M.; Bratrein, M.; Gerland, S. & Wickert, J. A Fram Strait Experiment: Sensing Sea Ice Conditions using Shipborne GNSS Reflectometry Geophysical Research Abstracts, EGU General Assembly, 2017, Vol. 19

Kontakt

Jens Wickert
Wissenschaftler
Prof. Dr. Jens Wickert
Geodätische Weltraumverfahren
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