26
Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@ b v . t um.de NVR mini‐symposium, Delft, April 23, 2014

Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München [email protected] NVR mini‐symposium,

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

Earth gravity from space

Reiner RummelInstitut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München

[email protected]

NVR mini‐symposium, Delft, April 23, 2014

Page 2: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

gravity and geoid in geophysics and geodesy

A) Geoid and gravity define horizontal and vertical“If the sea were at rest, its surface would coincide with

the geopotential surface.“ (AE Gill, 1982)

B) Geoid and gravity anomalies:“anomalies” referred to what?

C) Temporal changes of geoid and gravity“After three decades….of advances,space geodesy is poised for prime time in observing

the integrated mass transports that take place in the Earth system…” (BF Chao, 2003)

earth gravity from space: about the „why?“

Page 3: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

earth gravity from space: about the „how?“

Source: I. Newton “De mundi systemate“ 1715

3. Volume of his „Philosophiae naturalis Principia mathematica“

Page 4: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

earth gravity from space: about the „how?“

three principles of satellite gravimetry:• orbit as close to the earth as possible• measurement or elimination of non‐

gravitational forces• measurement of relative motion of test

masses in free fall

Page 5: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

October 4, 1957

launch of Sputnik

1

satellite gravimetry: the beginning

Page 6: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

October 4, 1957

launch of Sputnik

1

Earth oblateness

geometric 1:297.7

dynamic 0.0010856King‐Hele DG, 1958, Nature

Buchar E, 1958, Nature

satellite gravimetry: the beginning

Page 7: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

Cox & Chao, 2002, Science

also: Dickey et al 2002, Science,

Cazenave & Nerem, 2002, Science

temporal changes of the earth‘s oblateness

Greenland/ West Antarctica

Sea level rise (eustatic)

Sea level rise (regional variations)

LAGEOS 1+2

Page 8: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

with argument

and frequencies:

Wagner & Klosko, 1977, p.145

Kaula, 1966

satellite gravimetry: the beginning

Page 9: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

Henriksen SW Introduction p.14National Geodetic Satellite Program, Part I, NASA 1977

Geoid as derived fromterrestrial gravity anomalies (Uotila, 1962)

Geoid as derived from optical tracking of artificial satellites (Izsak, 1964)

first models of the geoid

Page 10: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

SSE1d/o 15

Lundquist CA & G Veis (eds.), 1966

GEM9d/o 30

Lerch FJ et al. 1979

GRIM 5sd/o 99

Biancale R et al., 2000

step by step improvements

Free air gravity anomalies of South America (mGal)

Page 11: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

geoid

altimetry

level surface

gravity anomalies from satellite altimetry

ocean topography

Page 12: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

Andersen OB, P Knudsen, P Berry & S KenyonThe DNSC08 ocean‐wide altimetry derived gravity anomaly field EGU, Vienna, 2008

Also: Sandwell D, WHF Smith, Global marine gravity from retracked Geosat and ERS‐1 altimetry: Ridge segmentation versus spreading rate , JGR, 2009

gravity anomalies from satellite altimetry

Page 13: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

CHAMP 2000‐2010

GRACE2002 …‐

GOCE 2009‐2013

the new era of satellite gravimetry

Page 14: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

location (GPS)

time (atomic clocks of GPS)

“no” air drag

no micro seismicity‐

free fall of a single satellite as measured by GPS

principle of CHAMP

Page 15: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

free fall of two test masses

GRACE: relative motion of two satellites (in free

fall), following each other at a distance of 200

km

Page 16: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

relative acceleration between several test masses inside one

satellite measurement principle of GOCE gravity

gradiometry

Page 17: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

Messprinzip

GOCE-PROJEKTBÜRO DEUTSCHLAND

iapgKombination aus SST und SGG

SGG

Zemlja

anomalija

GPS - satelliti

SST

Page 18: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

upper electrode

proof mass 4cm x 4cm

x 1cm Platin‐Rhodium

320 g

cage: ULE‐ceramics

gold electrodes

accelerometer (Onera)

GOCE satellite mission: principles

Page 19: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

single accelerometer

one axis gradiometer

three axis gradiometer consisting of

6 accelerometers

GOCE satellite mission: principles

Page 20: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

ion thrusters

ion thruster control unit

nitrogen tankxenon tank

gravitational gradiometer

star sensor

GPS receiver

magneto‐torquers

power supply

control unit

source: ESA

GOCE sensor system

• an orbiting gravitational laboratory• high performance of all sensors• very different from „typical“ remote sensing

satellites

Page 21: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

[m]

GOCE and solid earth

geoid (or potential) variationsrelative to a best fitting ellipsoid figure

Page 22: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

short scale geoid anomalies (degree/order 21 ‐200)

meters

GOCE and solid earth

Page 23: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

GGM03s d/o150Tapley et al 2007

GOCE TIM4

Pail et al 2011

EGM2008Pavlis et al, 2012

combined model

a new quality of gravity anomaly maps

Page 24: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

identification of regions with poor gravity

information: a comparison of GOCE and

EGM2008Yi W, R Rummel, J

of Geodynamics, 2013

100kmS. America

China

SO Asia

Africa

Antarctica

Antarctic Circumpolar Current

500km 200km

GOCE and solid earth

Page 25: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

Delft – almost 30 years back

NRC, april 19, page W8: article about the recent selection of M 3‐ missionof ESA’s science programme: PLATO was selectedLOFT* did not make it

De satelliet die niet de ruimte in ging Na vier jaar zwoegen

viel de geavanceerde röntgensatelliet

van de UvA alsnog buiten de boot // Slechts een paar van

de satellieten die bedacht worden,

gaan echt de ruimte in

*LOFT= Large Observatory For X‐ray Timing

• 1985: invitation to tender for Horizon

2000 and a naïve letter from TUD to SRON• from 1986 to 1991 several studies on ARISTOTELES

(Applications and Research Involving Space

Techniques Observing The Earth’s fields from Low

Earth orbit‐ Spacecraft)• 1991 to 1993: STEP

(Satellite Test of Equivalence Principle)• work on GOCE begins• 1996 User Consultation Meeting: from 19 down to 4• 1998 ESA’s Living Planet Programme• 1999 User Consultation Meeting: GOCE

chosen (together with ADM)• 2009: launch of GOCE• 2013: successful mission end

Page 26: Earth gravity from space Reiner Rummel Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie Technische Universität München rummel@bv.tum.de NVR mini‐symposium,

acknowledgement

It was the work of a team:members of the GOCE High level Processing Facility and of

ESA