El Niño-Modulationen der ozeanischen S1-Gezeit und ihre Auswirkungen auf die Nutation

Abstract

Die Erdrotationsachse verharrt nicht starr bezüglich des Raums oder des Erdkörpers selbst, sondern wird neben gravitativen Kräften von Sonne, Mond und Planeten und rheologischen Effekten im Erdinneren, durch dynamische Prozesse in der Atmosphäre, sprich Druck- und Windvariationen, ausgelenkt. Für die moderne Geodäsie, im Besonderen für jede satellitenbasierte Positionierungsaufgabe auf der Erdoberfläche oder im Raum, ist jedoch die möglichst genaue Modellierung irregulärer Achsbewegungen der Erde wesentlich. Eine der Hauptrollen im Fehlerbudget solcher Modellierungen spielen kleine atmosphärische und ozeanische Beiträge zur Nutation, das heißt der Achsbewegung der Erde im Bezug auf ein himmelsfestes System. Ein Teil dieser Beiträge wird durch die globale S1-Tide verursacht. Diese zyklisch wiederkehrende Massenverlagerung im Atmosphäre-Ozean-System mit einer Periode von 24 h schlägt sich als Nutationswelle im Raum mit einer Amplitude von etwa 100 µas (Mikrobogensekunden) nieder. Ihr Antrieb erfolgt durch die Absorption von Sonnenstrahlung sowie durch die Freisetzung von latenter und sensibler Wärme. Die daraus resultiere atmosphärische S1-Drucktide ruft im Ozean Massenverlagerungen mit derselben Frequenz hervor, die ozeanische S1-Tide. Folglich sind Variationen der globalen S1-Gezeit durch Wetterphänomene, großräumige Verlagerungen von Wasserdampf und Konvektionsbewegungen, sowie Klimavariationen ganz allgemein leicht vorstellbar. Dennoch existieren nach Wissen der Autorin keine wissenschaftlichen Abhandlungen, welche zeitliche S1-Modulationen global analysieren oder in Zusammenhang mit dominanten Wetter- und Klimaereignissen wie El Nino bringen. Durch solche Untersuchungen könnten jedoch mögliche Schlüsse für ihre bestmögliche Einbeziehung in Nutationsmodelle gezogen werden. Unter diesem Gesichtspunkt werden in der Arbeit aus meteorologischen Reanalysen Langzeitvariationen der S1-Drucktide extrahiert, um ein numerisches Ozeanmodell anzutreiben und daraus auf Nutatiationsbeiträge der ozeanischen S1-Tide zu schließen, denn diese liefert den Hauptnutationsbeitrag der globalen S1-Gezeit. Variationen der Beiträge werden im Anschluss in Zusammenhang mit El Nino und La Nina gesetzt. Um die Aussagekraft der Studie zu stärken, werden zwei, zuvor mit in-situ-Vergleichswerten validierte Reanalysedatensätze herangezogen. Die Ergebnisse erstaunen, denn La Nina moduliert die Nutationsbeiträge übereinstimmend für beide Antriebsmodelle nahezu im selben Ausmaß wie El Nino, welcher lokal die stärksten S1-Gezeitenanomalien induziert. Zeitliche Veränderungen des Beitrags zur Nutation aus den zwei Modellen sind nahezu durchgängig konsistent, lediglich mit unterschiedlicher Schwankungsbreite, welche möglicherweie auf Assimilationsartefakte im Wasserdampfgehalt zurückzuführen sind. Nutationsvariationen während des Untersuchungszeitraums von bis zu 30 µas in beide Koordinatenrichtungen lassen eine theoretische Einbeziehung der S1-Gezeit in zukünftige Nutationsmodelle - besonders im Hinblick auf das Genauigkeitslevel von etwa 20 µas heutiger VLBI (Very Long Baseline Interferometry)-Beobachtungen - nur beschränkt möglich erscheinen.

Earth's rotation axis remains not fixed with respect to inertial space or the Earth's body itself, but it is instead displaced by gravitational forces from celestial bodies, by internal torques due to Earth's structure, and by geophysical fluid mass redistributions like pressure and wind variations in the atmosphere. For modern geodesy, particularly for any GNSS (global navigation satellite system) positioning task on the Earth's surface or in space, knowledge about these perturbations and their accurate a priori account is indispensable. One of the main factors contributing to the error budget of the rotational a priori modelling are small atmospheric and oceanic variations in nutation, that is, the movement of the Earth's axis with regard to a celestial reference frame. One part of these contributions is generated by the global S1 tide. This cyclic mass redistribution in the atmosphere-ocean-system with a period of 24 h projects into a nutation wave in space with an amplitude of approximately 100 µas (microarcseconds). Its excitation results from absorption of radiation in the troposphere as well as from latent and sensible heat release. The in this way induced atmospheric S1 pressure tide causes also mass redistributions in the ocean, the oceanic S1 tide. Weather phenomena, changes to the distribution of water vapour and convective activity as well as climate variations in general may easily perturb S1 excitation mechanisms and thereby change the exact structure of the global S1 tide. However, to the knowledge of the author no study has ever addressed temporal modulations of the S1 tide globally or connected them with weather or climate events like El Nino. Such investigations are precious as they might provide guidelines on how to include atmosphere-ocean signals in nutation models. Upon this background, the present thesis extracts long time variations of the air pressure tide S1 from metrological reanalysis to force an ocean model and deduce irregular contributions to nutation. The resulting variations are connected to El Nino and La Nina. To strengthen the validity of the study, pressure data of two present-day reanalyses are used and validated with S1 in situ estimates at ten tropical barometer sites. The results are surprising, as the nutation contributions caused by La Nina have nearly the same extent as those generated by El Nino, which induces the greatest local S1 tidal height anomalies. Temporal changes of the contributions to nutation exhibit fair agreement yet with different peak-to-peak amplitudes which may be traced back to assimilation artefacts of the water vapour content in the reanalyses. Nutation variations exceed an interval of 30 µas during the period of investigation in both directions. This modulations limit the possibility of including the S1 tide theoretically in future nutation models, particularly with regard to the accuracy level of 20 µas of contemporary VLBI (very long baseline interferometry) observations.