Supraleitendes Gravimeter - Institut für Geophysik - Universität ...

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 6
Stand der Forschung: Die Spektren des 2004 Sumatrabebens
bieten sich für eine Untersuchung dieses Signals
an, weil einerseits das Zeemansplitting nur bei Moden unterhalb
2 mHz in den Daten nachgewiesen werden kann und
weil anderseits die Moden in diesem Frequenzband nur von
den größten Beben messbar angeregt werden. Die radiale
Dichteverteilung im Erdinnern wurde bisher ausschließlich
anhand von entarteten Eigenfrequenzen sowie Masse
und Trägheitsmoment der Erde geschätzt. Bei den Eigenfrequenzen,
die den Großteil an Dichteinformation enthalten,
besteht jedoch die Schwierigkeit, dass sie nicht nur von
der Dichte sondern gleichzeitig von fünf anisotropen Moduln
abhängen. In dieser Hinsicht hat die Beobachtung des Zeemansplittings
einen Vorteil gegenüber den Eigenfrequenzen:
dieses hängt ausschliesslich von der Dichteverteilung
ab.
Eine Doktorarbeit (S. Lambotte, 2007), die sich der spektralen
Feinstruktur dieser Moden widmet, wurde von einem
Mitarbeiter des BFO mitbetreut. Das Zeemansplitting wird
in dieser Arbeit aber nur tangiert. Es zeigt sich aber, dass
im untersuchten Frequenzband die Daten der ruhigsten
SGs den ruhigsten Breitbandseismometern (STS-1) deutlich
überlegen sind. Ein SG am Standort BFO könnte hier
noch zu einer wesentlichen Verbesserung der Datengrundlage
für weitere Studien führen.
Ic. Coriolis-Kopplung unterhalb 1 mHz
Fragestellung: Gelingt es anhand von Schätzungen der
Coriolis-Kopplung einen Beitrag zur Bestimmung der 1D-
Dichteverteilung in der Erde zu leisten?
Hintergrund: In den Spektren des Sumatrabebens konnten
erneut torsionale Moden in den Vertikalkomponenten
nachgewiesen werden - ein klares Indiz für Coriolis Kopplung
(Masters et al., 1983; Zürn et al., 2000). Die Kopplungsstärke
steht in einem linearen Integralzusammenhang mit
der 1D-Dichtestruktur der Erde und kann anhand der Amplitude
in den Spektren geschätzt werden (Dahlen und Tromp,
1998).
Stand der Forschung: Bisher ist noch in keiner Studie
versucht worden, dieses Signal auszuwerten, weil
die Kopplungsstärke auch vom Frequenzabstand zwischen
den Kopplungspartnern abhängt. Den Frequenzabstand
der Moden zu kennen erfordert jedoch ein gutes 1D-
Referenzmodell. Während die Coriolis-Kopplung im Frequenzband
2-3 mHz Moden betrifft, die nur bis in den oberen
Mantel eindringen, handelt es sich bei der Coriolis-Kopplung
unterhalb von 1 mHz um Moden, die den gesamten Mantel
erfassen. Da die mittlere Struktur in der Übergangszone
und im unteren Mantel gegenüber dem oberen Mantel vergleichsweise
gut bekannt ist (wegen der insgesamt geringeren
Heterogenität), sind die vorhergesagten Multiplettfrequenzen
mit einer entsprechend kleineren Unsicherheit behaftet
als bei Moden oberhalb von 2 mHz. Wird nun eine Diskrepanz
zwischen vorhergesagter und beobachteter Kopplungsstärke
gefunden, so muss untersucht werden, welche
Modellperturbation die Daten besser zu erklären vermag:
Eine Änderung des seismischen Geschwindigkeitsmodells
ändert die Kopplungsstärke über den Modenabstand, wogegen
eine Änderung des Dichtemodells unmittelbar zu einer
Änderung der Kopplungsstärke führt.
Coriolis-Kopplung unterhalb von 1 mHz wurde zuerst in den
Daten des Federgravimeters ET-19 am BFO und in den SG-
Daten von Strasbourg und Boulder nachgewiesen (e.g. Zürn
et al., 2000). Es ist zu erwarten, dass ein SG am BFO die
Datenlage bei künftigen Beben wesentlich verbessert.
II Validierung zeitvariabler Schwerefeldmodelle
Fragestellung: Lässt sich die Qualität der monatlichen
GRACE-Schwerefeldmodelle durch unabhängige Beobachtungen
validieren?
Hintergrund: Die Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery
and Climate Experiment) beobachtet seit 2002
das Erdschwerefeld. Die hohe Messgenauigkeit erlaubt die
Auflösung von zeitvariablen Schwerefeldsignalen, typischerweise
in monatlichen ” snapshots“ , mit einer räumlichen
Auflösung von etwa 1000 km. Das Erdschwerefeld ist ein
Spiegel der Massenverteilung im Erdkörper. Zeitliche Variationen
stellen also Massenverlagerungen im System Erde,
hauptsächlich in einer relativ dünnen Oberflächenschicht,
dar. Aus diesem Grund werden die GRACE-Ergebnisse
in vielen Nachbardisziplinen wie Hydrologie, Ozeanographie
oder Klimaforschung mit Begeisterung angenommen;
GRACE ist in gewisser Weise ein Bindeglied der interdisziplinärer
Geoforschung.
Stand der Forschung: Das Problem besteht einerseits
darin, dass GRACE nur die räumliche Grobstruktur der Zeitvariationen
erfasst, andererseits die Kurzzeitvariationen unterhalb
der Monatsauflösung (u.a. Gezeiten, Atmosphäre)
in die Monatslösungen hinein projiziert werden (aliasing).
Kombiniert mit den charakteristischen Sensoreigenschaften
und der Bahnkonfiguration der beiden GRACE-Satelliten ergeben
sich Schwerefeldlösungen mit nicht-trivialen stochastischen
Eigenschaften.
Weil diese Art von ” gravitationeller Fernerkundung“ eine
völlig neue Observable im geodätisch-geophysikalischen