Die gravimetrischen Messverfahren Die gravimetrischen Messverfahren oder oder Was verr Was verr ä ä t uns die Schwere t uns die Schwere ü ü ber den Aufbau der ber den Aufbau der Erde? Erde? Herbert Wilmes Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG), Frankfurt a.M.
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Die gravimetrischen Messverfahren oder Was ... - Der … · Was verrät uns die Schwere über den Aufbau der Erde? Herbert Wilmes Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG),
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Die gravimetrischen Messverfahren Die gravimetrischen Messverfahren
oderoder
Was verrWas verräät uns die Schwere t uns die Schwere üüber den Aufbau der ber den Aufbau der Erde?Erde?
Herbert Wilmes
Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG), Frankfurt a.M.
Gliederung
Die PhysikVerfahren zur SchwerebestimmungMessinstrumenteAnwendungen in der GeodäsieAusblick
Wie wirkt die Gravitation?
Physik:Gegenseitige Anziehung zweier Körper aufgrund ihrer Masse
Wirkungen:Bestimmt die Bahnen der HimmelskörperHält uns auf der Erde fest
Newtonsches AttraktionsgesetzDie Gravitation ist nach Newton (1643 bis 1727) eine anziehende Kraft, die proportional der Masse der beteiligten Körper zunimmt, und im Quadrat der Entfernung abnimmt.
F GravitationskraftG Newtonsche Gravitationskonstantem1, m2 Massen zweier Körperl Abstand der Körper
2
21
lmmGF =
2131110673,6 −−−⋅= skgmG
Erforschung der Gesetzmäßigkeiten
Annahmen: Erde = homogene Kugel mit Radius:Masse:
2e
egrav r
mmGgmF ⋅=⋅⇒
( ) 22
3
26
2411
10371,610973,510673,6
mkg
skgm
⋅⋅
⋅⋅
⋅⋅ −
2e
e
rmGg =⇒
mre610371,6 ⋅≈
kgme2410973,5 ⋅≈
≈g 282,9sm
≈
An der Erdoberfläche:
Erdbeschleunigung
Die Zentrifugalbeschleunigung auf Grund der Erdrotation wirkt der Erdanziehung entgegen
g: Gravitationsbeschleunigung
Orts- und Zeitabhängigkeit des Erdschwerefeldes
Die Schwerebeschleunigung ist orts-abhängig– Höhenabhängigkeit: Zugspitze: 9,80 055 944 m/s²
Garmisch: 9,80 584 564 m/s²
– Abplattung der Erde durch die Erdrotation
an den Polen: 9,84 m/s²am Äquator: 9,78 m/s²Flensburg: 9,81 490 042 m/s²
– Massenverteilung im ErdkörperDie Schwerebeschleunigung ist zeit-abhängig– Gezeiten der „festen“ Erde– Variierende Anziehung und Deformation durch veränderliche
Zeitmessung genauer als 1 Nano-SekundeLängenmessung genauer 1 Nano-Meter
Schnittdiagramm eines Absolutgravimeters „FG5“
Schweremessung im freien Fall
Wozu Schwerebestimmung?
Geophysik:Geologische Interpretation (z.B. zur Lagerstättenforschung)Untersuchung geophysikalischer Prozesse im Untergrund
Metrologie (BKG im Auftrag der PTB):Physikalische Kenngrößen für Präzisionswaagen und BarometerSchwerereferenz für Deutschland
Geodäsie (BKG):Referenzfläche für die HöhenbestimmungÜberwachung von Meeresspiegeländerungen und Höhenänderungen Verbindung zu den modernen Satellitenschwerefeld-MissionenTransformationsparameter und Korrektionsmodelle für genaueste geodätische Raummessverfahren
„Geoid“ als Bezugsfläche für Höhenangaben
Figur der Erde
GFZ
Netze von Schwerestationen
Flensburg
Aurich Hamburg
Rostock
Pasewalk
Seelow
Cottbus
Dresden
Halle
Potsdam
Perleberg
Hannover
Braunschweig
Erfurt
Plauen
Bad Harzburg
Kassel
Bamberg
WettzellZwiesel
Greding
München Bad ReichenhallWangen
Aalen
Karlsruhe
Freiburg
Merzig
Wiesbaden
HünsbornAachen
Bad Bentheim
Clausthal
3
1
2
456
7
8
910
11 12
13
141516
17
18
1921
20
22
23
24
25
26
27
2829
3031
32
GREF-StationenDeutsches Schweregrundnetz DSGN1994
Beobachtungen
- GPS/Niv.-Punkte im Abstand von ~25km W- 2 x 2km Freiluftanomalien abgeleitet aus
300000 Schweremessungen g
6.3 cm-5.5 cm15.7 mmSüd
2.1 cm-4.5 cm10.6 mmNordwest
2.3 cm-3.1 cm9,4 mmNordost
MaxMinRMS
Geoidmodellierung
Validierung der Satellitenschwerefeldmissionen
Globale Schwerevariationen auf Grund hydrologischer Massenvariationen aus GRACE Schwerefeldmodellen
aus: “Mass Transport and Mass Distribution, Proposal 2005”
Millimeter Wassersäule
Differenzen Frühjahr - Sommer 2003, beobachtet mit GRACE
Moderne Satelliten-Schwerefeldmissionen
GRACE
GOCECHAMP
A10 Absolutgravimeter für FeldmessungenEntwicklung bei Micro-g, USAErste Auslieferung eines Prototyps 1999, Grundlegende Überarbeitung 2004Bisher ca. 15 Geräte gebaut
• Netzunabhängiger Betrieb, 12 V• Einfache Aufstellung im Feld
(Messkomponenten je 20 kg)• Automatische Horizontierung• Messbetrieb und Auswertung automatisiert
g g We We = 9 . 80 835 695 4 [ m / s= 9 . 80 835 695 4 [ m / s2 2 ]]
Erdschwerebeschleunigung
Nutzen der Schwerebestimmung
ZusammenfassungSchweremessungen des BKG definieren Schwerestandard für DeutschlandHöhenreferenzfläche wird aus Schweremessungen abgeleitetModerne Satellitenschwerefeldmodelle können mit terrestrischen Schwerefeldmodellen zu besseren Modelle verknüpft werdenSatellitenschwerefeldmodelle zeigen zeitliche Variationen (als Folge von Hydrologie / Atmosphäre / Höhenänderungen), die durch terrestrische Messungen kalibriert werden könnenSchwerebestimmung besitzt hohe Sensitivität gegenüber Höhenänderungen und MassenverschiebungenSteigende Messgenauigkeit der geometrischen Messverfahren führt zu höheren Anforderungen an die Referenzsysteme für Lage, Höhe und Schwere