Tidal excitation of Earth rotation observed by VLBI and GNSS

Abstract

Eine präzise Beschreibung des Rotationsverhaltens der Erde, die auf geophysikalischen Grundlagen beruht, ist unabdingbar für die Präzision und Zuverlässigkeit der aus Beobachtungen geodätischer Weltraumverfahren abgeleiteten Aussagen und Parameter. Umgekehrt ermöglicht die Verfügbarkeit hochgenauer Zeitreihen der Erdrotationsparameter (ERP) Erkenntnisse über globale dynamische Prozesse und Wechselwirkungen im System Erde und erlaubt die Evaluierung und Verbesserung von Modellen, die diese beschreiben. Beide Aspekte werden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich des Einflusses der Gezeiten auf die Erdrotation im Periodenbereich von einigen Stunden bis zu einem Jahr, behandelt. Das IERS-Modell (International Earth Rotation and Reference Systems Service) für tägliche und sub-tägliche Effekte der Ozeangezeiten auf Polbewegung und Weltzeit (UT1) basiert auf einem inzwischen überholten Ozeangezeitenmodell. Es besteht die Vermutung, dass dadurch die Analyse von Beobachtungen des GPS (Global Positioning System) und auch der VLBI (Very Long Baseline Interferometry) negativ beeinflusst werden. Die exakte Kenntnis des Beitrags der Ozeangezeiten zu Erdrotationsschwankungen ist ferner essentiell für die Erforschung anderer hochfrequenter Einflüsse, wie der thermischen Gezeiten der Atmosphäre und Ozeane und die Auswirkungen des lunisolaren Drehmoments auf die triaxiale Figur der Erde. Die Ziele der Arbeit bezüglich hochfrequenter Gezeitenphänomene sind, die Mängel des konventionellen ERP-Ozeangezeitenmodells aufzuzeigen, Alternativen zu erkunden, und den potentiellen Vorteil einer kombinierten Analyse von GPS mit dem russischen GNSS (Global Navigation Satellite System) GLONASS zu untersuchen.<br />Die zweite zentrale Fragestellung betrifft langperiodische gezeitenbedingte Schwankungen der Weltzeit. Sie werden als zonale gezeitenbedingte Variationen bezeichnet und umfassen die Effekte der festen Erdgezeiten (elastische und anelastische Reaktion des Erdkörpers) und langperiodischer Ozeangezeiten. Entsprechende Modelle sind wichtig für die Prädiktion von UT1 und somit für Echtzeitanwendungen und Navigationsaufgaben. Anhand von UT1-Beobachtungen der Verfahren VLBI und GNSS wird beurteilt, ob das konventionelle Modell der zonalen gezeitenbedingten Variationen die empirisch ermittelten Schwankungen ausreichend genau repräsentiert. Des weiteren wird erforscht, mit welcher Unsicherheit der zonale Reaktionskoeffizient aus den Beobachtungen bestimmt werden kann. Dieser Koeffizient beschreibt den Zusammenhang zwischen Amplituden des Gezeitenpotentials und Amplituden des zonalen Gezeitensignals in UT1 und charakterisiert damit die Reaktionseigenschaften des Erde-Ozean-Systems.<br />Die Komponenten der gezeitenbedingten Schwingungen werden durch Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate aus VLBI- und GNSS-ERP-Zeitreihen mit geeigneter Auflösung ermittelt. Zur Ableitung der hochfrequenten Gezeitensignale aus VLBI kommen außerdem das Verfahren der komplexen Demodulation und die direkte Schätzung der harmonischen Koeffizienten innerhalb einer globalen Lösung zum Einsatz.<br />Die Analyse der Erdrotationsschwankungen im Hinblick auf kurzperiodische Ozeangezeiten offenbart signifikante Mängel des Modells der neuesten IERS Conventions (2010) bezüglich der meisten Hauptterme. Entsprechende, unter Verwendung des aktuellen Ozeangezeitenmodells TPXO7.2 durchgeführte ERP-Prädiktionen, stimmen etwas besser mit beobachteten ERP überein. Der Vorteil einer kombinierten GPS+GLONASS Lösung kann, aufgrund der geringen Anzahl (7\%) verfügbarer GLONASS Daten im Beobachtungszeitraum, nicht bewiesen werden. Verschiedene Kombinationen geophysikalischer Modelle für die Anregung der thermischen S1-Komponente (atmosphärische, nicht-gezeitenbedingte ozeanische) lassen im Vergleich keine einheitlichen Tendenzen erkennen, zudem sind die beobachteten S1-Residuen durch keine der herangezogenen Modellkombinationen zu begründen.<br />Das Modell der IERS Conventions (2010) für den Effekt der zonalen Gezeiten weist gute Übereinstimmungen mit gemessenen UT1- und abgeleiteten LOD- (length of day) Werten auf. Der zonale Reaktionskoeffizient kann aus den empirischen halbmonatlichen und monatlichen zonalen Termen gegenwärtig auf 0.3\% genau bestimmt werden.<br />Das konventionelle Modell der hochfrequenten Anregung der Erdrotation durch Ozeangezeiten sollte zweifellos revidiert werden. Wie in der vorliegenden Arbeit deutlich dargestellt wird, reduziert die Neuberechnung auf Basis eines neueren Gezeitenmodells die vorhandenen Abweichungen, allerdings nur in geringem Maße. Eine Aktualisierung des konventionellen Modells für zonale UT1-Variationen ist, vom Standpunkt der Beobachtungen aus, nicht zwingend notwendig. Angesichts der nun erreichbaren Genauigkeit des zonalen Reaktionskoeffizienten, würde ein modernes Modell des elastischen Anteils der festen Erdgezeiten jedoch mit Sicherheit die Quantifizierung des anelastischen Verhaltens anhand von Beobachtungen voranbringen.<br />

Detailed descriptions of Earth rotation variability, based on a profound geophysical background, are required to ensure the precision and reliability of statements and parameters derived from space geodetic observations. Vice versa, the availability of highly accurate time series of Earth rotation parameters (ERP) allows to draw conclusions about global dynamic processes and interactions in system Earth and enables the evaluation and improvement of geophysical models. Both aspects are treated in the present dissertation with respect to tidal excitation of Earth rotation from subdiurnal to annual periods.<br />The model for diurnal and subdiurnal ocean tidal effects on polar motion and universal time (UT1) which is currently recommended by the IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) has been derived from an already outdated ocean tide model and is suspected to negatively influence the analysis of GPS (Global Positioning System) and, in special cases, of VLBI (Very Long Baseline Interferometry) observations. The explicit knowledge of the ocean tidal contribution to Earth rotation variations is furthermore essential to study other high-frequency influences, such as thermal tides of atmosphere and oceans and the effect of the lunisolar torque on the triaxial Earth, denominated libration. The objectives of this work regarding high-frequency tidal phenomena are to identify deficiencies of the conventional ocean tidal ERP model, to examine alternatives, and to investigate the potential benefit of a combined analysis of GPS with the Russian Global Navigation Satellite System (GNSS) GLONASS. The second central subject of this thesis concerns the long-period tidal variations in UT1. These are referred to as zonal tidal variations and comprise the effects of solid Earth tides (elastic and anelastic Earth response) and long-period ocean tides. Appropriate models are important for the prediction of UT1 and thus for real-time applications and navigation tasks. The research assignments in this respect are to employ VLBI and GNSS observations of UT1, first, in order to assess whether the conventional model for zonal tidal variations represents the observational evidence, and second, in order to investigate the achievable precision of the zonal response coefficient. This is a proportionality factor to transfer tidal potential amplitudes to zonal tidal amplitudes in UT1, which characterizes the response properties of the Earth-ocean system.<br />Zonal as well as high-frequency variations are derived by least-squares adjustment from VLBI- and GNSS-based ERP time series with adapted resolution. For extracting short-period tidal signal from VLBI, the complex demodulation technique and the direct determination of tidal terms within a global solution are applied additionally. The examination of the IERS Conventions (2010) model for ocean tidal ERP variations reveals significant deficiencies of most of the major model terms, concerning polar motion as well as UT1. Corresponding Earth rotation variations derived from the recent ocean tide model TPXO7.2 agree slightly better with the observed ERP. The benefit of a combined GPS+GLONASS solution cannot be proved, owing to the small number (7 %) of available GLONASS observations during the inspected time period.<br />Different combinations of geophysical models for the excitation (atmospheric, non-tidal oceanic) of the thermal S1 component show mutual disagreement and, moreover, none of the compared model combinations is capable of explaining the observed S1 residuals. The IERS Conventions (2010) model for zonal tidal variations is in good accordance with UT1 and derived LOD (length of day) observations. Conspicuous peaks in the LOD residual spectrum at the semiannual and annual periods can be attributed to the contribution of upper zonal winds, not contained in the atmosphere angular momentum data used for preprocessing. At present, the zonal response coefficient can be determined from the empirical fortnightly and monthly zonal terms with a precision of 0.3 %. The revision of the conventional model for high-frequency ocean tidal excitation of Earth rotation is strongly recommended. It is clearly demonstrated in the present work, that a re-computation on the basis of a more recent ocean tide model decreases the residuals, but to a minor degree. The inclusion of a harmonic model of the thermal S1 ocean tide to a standard ocean tidal ERP model is not advised unless the presented discrepancies of geophysical models are explained. Updating the current conventional model for zonal tidal UT1 variations is not necessary from the observational point of view. Yet, in view of the now achievable precision of the zonal response coefficient, a modern model for the elastic solid Earth response would certainly facilitate the quantification of mantle anelasticity by means of observations.<br />