Atmospheric effects on measurements of the earth gravity field

Abstract

Druckvariationen in der Erdatmosphäre sind eine der Hauptverursacher von Schwerefeldänderungen an der Oberfläche. Die sich stetig ändernde Atmosphäre beeinflusst das Schweresignal auf zweierlei Art, einerseits durch Attraktion des Messinstrumentes durch die atmosphärischen Massen, das ist der sogenannte direkte Effekt, und durch die von den atmosphärischen Massen induzierte Verformung der Erdoberfläche und daraus resultierenden Schwereänderungen, den indirekten Effekt.<br />In der Satellitengravimetrie werden diese kurzzeitige Signale als Aliasing bezeichnet. Um diese zu eliminieren ist die Bestimmung von exakten atmosphärischen Schwerefeld-Koeffizienten (AGC) unverzichtbar.<br />Für die Bestimmung von AGC werden entsprechend dem Stand der Technik hochauflösende numerische Wettermodelle verwendet, welche die zeitvariable drei-dimensionale Massenverteilung innerhalb der Atmosphäre berücksichtigen. Durch Subtraktion der Kugelflächenfunktionen der momentanen Atmosphäre von denen des mittleren Zustands, einem lanzeitigen Mittel, werden die verbleibenden Kugelfunktionen ermittelt.<br />Diese beschreiben die Abweichung des momentanen Schwerefeldes vom mittleren Schwerefeld aufgrund atmosphärischer Massenveränderungen.<br />Bodenbasierte Schweremessungen begegnen denselben Schwierigkeiten bei der Eliminierung des Störsignals welches durch die Atmosphäre induziert wird. Bei supraleitenden Gravimetern wird die Korrektur üblicherweise über den lokalen Luftdruck ermittelt, wodurch 90-95% des Atmosphärensignals eliminiert wird. Allerdings reicht diese Korrektur heutzutage nicht mehr aus, da auf die Detektion von sehr schwachen Signalen abgezielt wird. Hier hat die drei-dimensionale Modellierung von atmosphärischer Massenattraktion auf Basis von numerischen Wettermodellen vielversprechende Ergebnisse gezeigt.<br />

Atmospheric pressure variations are one of the major sources of surface gravity perturbations. The varying atmosphere introduces two disturbing forces in the gravity signal, the so called direct effect or Newtonian attraction, where the measuring object is attracted by the atmospheric mass itself, and secondly the indirect effect or atmospheric loading, where the masses deform the Earth's surface, what again influences the measured gravity signal due to the slightely chnages gravity field.<br />In satellite gravity missions such signals are referred to as aliasing.<br />To eliminate them, the determination of accurate atmospheric gravity field coefficients (AGC) is indispensable. For the determination of AGC it is state of the art to use high resolution numerical weather models which take into account the time-variable three-dimensional distribution of the atmospheric mass. By subtracting the gravity spherical harmonics of the instantaneous atmosphere from the ones of a long term mean field, the residual gravity spherical harmonic series is obtained. It describe the deviation of the actual gravity field from the mean gravity field due to atmospheric mass variations.<br />Ground based gravimetric measurements encounter the same difficulty of eliminating the disturbing signal introduced by the atmosphere.<br />Superconducting gravimeters are usually corrected using the local air pressure, which reduces up to 90-95 % of the atmospheric signal.<br />However, modern superconducting gravimeters require an even better atmospheric correction if small signals are to be identified. For this task the use of three-dimensional modeling of atmospheric mass attraction based on operational numerical weather models has shown promising results.