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102. Sitzung des FKPE Hannover, 22. März 2015 Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen - Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

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Page 1: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

102. Sitzung des FKPE

Hannover, 22. März 2015

Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen

-

Von der Struktur zur dynamischen

Betrachtung der Erde

Jörg Ebbing

Institut für Geowissenschaften

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Page 2: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Satellite data to study the dynamic Earth

Magnetic field

Gravity fieldTopography & surface deformation

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ESA’s Earth Observation

Missions

Operational Service drivenResearch driven

Earth Explorer Earth Watch

Meteosat

MSG

Metop

MTG

Metop-SG

Sentinel 1 SAR GOCE

March 17th

2009

EarthCARE

ADM-Aeolus

CryoSat-2

April 8th

2010

SMOS

Nov. 2nd

2009

Swarm

Sentinel 2 Optical

Sentinel 3 Altimeter

Sentinel 4 (MTG)Sentinel 5 precursor

Biomass CarbonSat

FLEX

Sentinel 5 (Post-EPS)ERS-2 since 1996

Envisat 2002-2012

www.esa.int/livingplanet

Core

Missions

Opportunity

Missions

Operational

Meteorology GMESContinuity

of Missions

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The prediction of surface uplift and subsidence over time on a large scale is one of the

most important outcomes of mantle flow models

Interplay between surface, lithospheric,

and mantle processes

Steinberger 2007

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GOCE -Gravity field and steady-

state Ocean Circulation Explorer

Mission period

17 March 2009 – 11 November 2013

Gradiometer; 3 pairs of 3-axis, servo-

controlled, capacitive accelerometers

(each pair separated by a distance of

about 0.5 m).

Grids can be downloaded from

http://goce4interior.dgfi.badw.de

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GOCE orbit heights

‣ Four times orbit lowering

‣ 30 km Orbit height lowering accounts for approx. 30% signal

increase (d/o > 200)

‣ Nominal phase had perigee height of 255 km

‣ Lower orbit phase had perigee height of 225 km

GOCE Orbit height daily mean

Nominal phase

Lower orbit phase

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Gravity gradient grids@ satellite height

East-east East-radial

North-north North-east North-radial

Radial-radial

Grids can be downloaded from

http://goce4interior.dgfi.badw.de

Page 8: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Saudi

Arabia

Height

0 km 10 km 260 km

Signal

RMS5.1 E 4.1 E 0.3 E

Model

error1.3 E 0.9 E 0.4 mE

Omission

error83.5 E 8.1 E 0.2 mE

VZZ degree RMS h = 0 & 260 km

• Downward continuation also amplifies noise• Effective resolution of data does not change• Omission error becomes much larger (mainly high frequency topography)

Saudi

Arabia

Height

0 km 10 km 260 km

Signal

RMS5.1 E 4.1 E 0.3 E

GOCO03S VZZ signal & error, L = 225

For model inversion it is probablybest to use data close to theiroriginal point of acquisition.

GOCE data @ satellite altitude

/ Earth’s surface

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Artemieva & Thybo (2008)

Artemieva &

Thybo (2008)

LAB depth

Bouguer anomaly

Full geoid

The classical view of crust and

upper mantle (for Scandinavia)

Page 10: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

The Southern

Scandinavian mountains

P-wave Residuals

Bondo Medhus et al. (2009)

B

B’

B B’Relative P-wave Tomography

(100-200 km)

Bondo Medhus et al. (2012)

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Self-consistent 3D

Subsurface Model

adresses:

• isostatically compen-

sated topography

• gravity anomalies

– (Incl. gravity

gradients)

• seismic velocity

variations

LitMod3D, Fullea et al. (2009)

Page 12: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

1

4

Mantle models

temperature temperature

density density

single lithospheric mantle

shallow LAB

2 lithospheric mantles

deep LAB

Gradmann et al. 2013

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Effects on Geophysical

Observablesgravity low(40 mGal)

no gravity low

elevation high(500 m)

no elevation high

Gradmann et al. 2013

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Lithospheric model set-up

Asthenosphere

Lith. mantle

< Moho

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0-2.5 km depth

@225km height

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2.5-5 km depth

@225km height

Page 17: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

5-7.5 km depth

@225km height

Page 18: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

7.5-10 km depth

@225km height

Page 19: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

10-15 km depth

@225km height

Page 20: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

15-20 km depth

@225km height

Page 21: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

20-25 km depth

@225km height

Page 22: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

25-30 km depth

@225km height

Page 23: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

30-35 km depth

@225km height

Page 24: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

35-40 km depth

@225km height

Page 25: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

40-45 km depth

@225km height

Page 26: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

45-50 km depth

@225km height

Page 27: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

50-75 km depth

@225km height

Page 28: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

75-100 km depth

@225km height

Page 29: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

100-125 km depth100-125 km depth

@225km height

Page 30: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

125-150 km depth

@225km height

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150-175 km depth

@225km height

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175-200 km depth

@225km height

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Relative signal power @225 km height

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Relative signal power @225 km height

Page 35: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Relative signal power @225 km height

Page 36: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Relative signal power @225 km height

Page 37: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Comparison to global

tomography

Radial@225km North-radial@225km

North-east@225kmVs

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Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 50 km

v

vp

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Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 75 km

v

vp

Page 40: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 100 km

v

vp

v

vp

Page 41: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 125 km

v

vp

Page 42: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 150 km

v

vp

Page 43: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 175 km

v

vp

Page 44: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Comparison to tomographyGradient Tensor: Depth 200 km

v

vp

Page 45: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Lith. Mantle

Crust

GOCE for crust and upper mantle

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Swarm - Mission Aim

The Swarm mission will provide the best ever survey of the

geomagnetic field and its temporal evolution, in order to gain

new insights into the Earth system by improving our

understanding of the Earth’s interior and physical climate.

Launched November 22nd 2013, mission period: 5-10 years

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Improvement of Lithospheric Field Model

... with present satellites

Ørsted and CHAMP ...N = 60, resolution: 670 km

... and with SwarmN = 133, resolution: 300 km

Magnetic field of Earth’s crust

radial component at 10 km altitude

Before Ørsted ...N = 30, resolution: 1330 km

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Bewegung des magnetischenNordpols

Expeditionen• 1831 James Clark Ross• 1904 Roald Amundsen

Frühe Satelliten• Ørsted• CHAMP

Die neueste Satellitenmission• Swarm

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Global model from CRUST1.0

• Susceptibility of the whole crust - 0.04 SI

• Ambient field – IGRF11 (Finlay et al., 2010)

• Computation grid resolution – 2°x2°

• Computation grid altitude – 400 km

Modelling result

Page 50: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

3-D Electrical Conductivity of the Mantle

Process

secondary magnetic fields due to electric currents in the mantle, induced by time-varying external (primary) fields

Goal

determine for the first time global models of mantle conductivity (3-D)

Background

conductivity is sensitive to composition and temperature

conductivity-depth profile given by frequency dependence of induced fields

only 1-D models available, no information about conductivity inhomogeneities

Unique tool for mantle study from space complementing seismology

Derive global transfer functions

(hours to months period, corresponding to 100 - 1000 km depth)

Page 51: Geophysik mittels Satellitenbeobachtungen Von der Struktur ......Von der Struktur zur dynamischen Betrachtung der Erde Jörg Ebbing Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität

Conclusions and outlook

Gradients at satellite height are well suited to complement

seismic tomography to image the upper mantle

Satellite gradients should be used jointly with gravity and geoid

data to model the entire lithosphere

More info and the data can be found at:

http://goce4interior.dgfi.badw.de/

Swarm mision will provide new image of Earth magnetic field

and mantle conductivity

ESA is currently establishing a working program addressing the

needs for a common 3D Earth model and geodynamic

modelling!