Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Bestimmung gravimetrischer Gezeitenparameter im GeoObservatorium Odendorf

Abstract

Ziel der Untersuchung ist die Bestimmung der gravimetrischen Gezeitenparameter im GeoObservatorium Odendorf mit einer Maßstabsgenauigkeit von etwa 1‰ und einer Phasensicherheit der Hauptpartialtiden von etwa 0°,01. Dies sind Grenzwerte des derzeit metrologisch Erreichbaren. Bei genauer Kenntnis der örtlichen Modellgezeiten können die beobachteten gravimetrischen Zeitreihen durch Subtraktion von dem dominierenden Gezeitensignal befreit werden und es entstehen jene gezeitenreduzierten Zeitreihen, die es ermöglichen, auch in den Daten enthaltene schwächere zeitabhängige Signale unterschiedlicher Ursachen zu erkennen, kausal zu untersuchen und zu quantifizieren.<br /> Im Verlaufe des gesamten Beobachtungszeitraums von November 2000 bis zum Oktober 2006 wurden zwei lineare Gravimeter des Typs Askania GS15 und GS25 sowie vier astasierte Gravimeter des Typs LaCoste- Romberg G mit und ohne Rückkopplungssystem eingesetzt. Der Bestimmung des Registriermaßstabs kommt im Rahmen der Aufgabenstellung eine besondere Bedeutung zu. Diese erfolgt durch die Eingabe definierter und kalibrierter Signalsprünge und deren anschließender Gegenüberstellung mit den zugeordneten Änderungen des Registriersignals. Zur Erreichung der genannten relativen Maßstabsgenauigkeit von 1‰ erfordert die Nutzung des Skalenwertes einer Messspindel gezielte Wiederholungsmessungen in großer Anzahl. Die ausreichende zeitliche Konstanz des Maßstabsfaktors ist nachzuweisen bzw. durch geeignete Maßnahmen herzustellen. Die Güte der Spindelkalibrierung ist zu quantifizieren.<br /> Atmosphärische Effekte, hervorgerufen durch Änderungen des lokalen Luftdrucks, haben einen Einfluss auf die Güte der ermittelten Gezeitenparameter und müssen entsprechend quantifiziert und berücksichtigt werden. Daneben werden die Parameter der instrumentellen Übertragungsfunktion zwischen Ein- und Ausgangssignal determiniert.<br /> Der Nachweis der tatsächlich erreichten Maßstabsgenauigkeit von 1‰ erfolgt durch den Vergleich mit den Parametern zweier Nachbarstationen. Für diesen Vergleich wurden zunächst die Effekte der Meeresgezeiten auf Grundlage unterschiedlicher Modelle eliminiert und die gravimetrischen Gezeiten des festen Erdkörpers berechnet.<br /> Im Rahmen der Untersuchungen zur Bestimmung der Gezeitenparameter für die Station GeoObservatorium Odendorf werden starke Schwankungen des gravimetrischen Rauschpegels in den Aufzeichnungen festgestellt und analysiert. Es zeigt sich ein Zusammenhang mit der Großwetterlage im östlichen Atlantik (Gibraltar bis Nordnorwegen), und der Effekt kann als brandungsinduziertes Phänomen identifiziert werden; es wird so eine Prädiktion des zu erwartenden Rauschpegels auf Grundlage von Wettervorhersagen ermöglicht.<br /> In Zukunft können die mit hoher Genauigkeit ermittelten Gezeitenparameter genutzt werden, um schwächere zeitabhängige Signale in ihrer Deterministik und Kausalität verstehen zu lernen. Im GeoObservatorium Odendorf wurde ein Mess- und Registriersystem errichtet, welches die Aufzeichnung von gravimetrischen Signalen mit einer Auflösung von 10 Nanogal erlaubt. Auf Basis der erreichten metrologischen Signalauflösung kann auch nach lokalen gravimetrischen Effekten gesucht werden, die von Gezeitenbewegungen der lokalen Erdkruste getriggert werden, auch wenn diese bislang noch nicht beobachtet werden konnten.

<strong>Experimental and numerical investigations for the determination of gravimetric tidal parameters at the GeoObservatory Odendorf</strong><br /> The aim of the present investigations is the determination of gravimetric tidal parameters at the GeoObservatory Odendorf with a 1‰ accuracy of scale and a 0°.01 accuracy of phase, representing the limit of the present metrological possibilities. The exact knowledge of the local tidal parameters allows to create tidal reduced time series of the original observations by removing the dominating tidal gravity signals and thereby to identify, analyse and quantify weaker time-dependent signals as these become evident.<br /> During the observation period between November 2000 and October 2006 two linear Askania gravimeters of types GS15 and GS25 and four astatizated LaCoste-Romberg G gravimeters with and without feedback system were employed. The determination of the record scale is a matter of special importance and is done by a manual input of selected and calibrated signal steps and their comparison with the corresponding changes of the recorded signal afterwards. To ensure a relative 1‰ accuracy of scale while using the scale value of the spindle, a large number of specific repeated measurements is required. Furthermore, a sufficient time-invariance of the record scale has to be proved or to be established by appropriate means. The quality of the spindle calibration has to be quantified.<br /> Atmospheric effects, caused by changes in local air pressure, have an influence on the precision and accuracy as well of the resulting tidal parameters and have to be quantified and eliminated. Furthermore, the parameters of the instrumental transfer function between input and output signal have to be determined.<br /> The final proof of the achieved accuracy of scale of 1‰ is done by a comparison with the corresponding parameters of two neighbourhood-stations. For this comparison in a first step the effects of the ocean tides have been eliminated on the basis of different models and afterwards the gravimetric tides of the solid earth have been calculated.<br /> During the investigation of the tidal parameters at GeoObservatory Odendorf some major fluctuations of the gravimetric noise level in the data have been detected and analysed. Part of the noise signals could significantly be associated to anthropogenic activities. But it could be shown that there is also an interrelationship between the general weather situation in the east Atlantic area (from Gibraltar to the north of Norway) whereby the effect is identified as a breaker induced phenomenon at the coast lines; this insight allows a prediction of the expected gravimetric noise level based on weather forecasts, with a gravimetric reliability corresponding to the weather forecasts’ reliability.<br /> In the future the gravimetric tidal parameters, which are determined with a high level of accuracy, can be used to understand the deterministic and causality of weaker time-dependent signals; parts of such signals could potentially be due to kinematical processes at faults existing in the near vicinity of the observation station.<br /> At GeoObservatory Odendorf a measurement and recording system has been established that allows the observation of gravimetric signals with a resolution of 10 nanogal. On the basis of that achieved resolution future work can also be directed to the search for local gravimetric effects that are triggered by tidal movements of the local earth's crust. Although such effects have not yet been detected one should principally not rule out their existence.