Kosmiczne obserwacje geodezyjne pomagają ujawnić różnice w obciążeniach powierzchni Ziemi

Ruch masy powierzchniowej Ziemi, w tym atmosfery i oceanów, a także hydrologia i topnienie lodowców powoduje redystrybucję obciążeń powierzchniowych Ziemi, deformację stałej Ziemi oraz zmiany pola grawitacyjnego.

Zespół badawczy kierowany przez profesora Jina Shuanggena z Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego (SHAO) Chińskiej Akademii Nauk wykorzystał kosmiczne obserwacje geodezyjne do wykrycia sezonowych i międzysezonowych zmian sygnału w obciążeniach powierzchni Ziemi.

Zbadali przemieszczenia z Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS) oraz zmienną w czasie grawitację z Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), aby wyodrębnić sygnały konwekcji powierzchniowej i zbadać ich zastosowania geofizyczne. Wyniki wskazują, że geodezja kosmiczna oferuje skuteczną metodę badania obciążeń powierzchniowych i ruchów skorupy ziemskiej, które je powodują. Badanie zostało opublikowane w Nawigacja satelitarna 24 lipca.

Na początku przemieszczenia spowodowane obciążeniami powierzchniowymi Ziemi nie były wystarczająco duże, aby można je było wykryć za pomocą konwencjonalnych nieglobalnych technik pomiarowych, dlatego uważano je za zakłócające hałas sygnały ruchu tektonicznego. Jednak w latach 90. geodeci zaczęli dokładnie monitorować ruchy skorupy ziemskiej, z dużą rozdzielczością przestrzenną i czasową, wykorzystując gęste sieci stacji ciągłego monitoringu GNSS.

Znaleźli ważne sezonowe sygnały nakładające się na świeckie ruchy tektoniczne i takie sezonowe sygnały stopniowo przyciągały ich uwagę. Wystrzelenie satelitów GRACE w 2002 roku umożliwiło naukowcom obserwowanie anomalii masowych na Ziemi bezpośrednio z kosmosu, a połączenie obserwacji GRACE i GNSS sprawiło, że badania konwekcji powierzchniowej stały się bardziej przekonujące.

Wcześniej zespół badawczy badał sezonowe (okresowe) i wewnątrzsezonowe obciążenia powierzchniowe, wykorzystując przemieszczenia powierzchniowe z GNSS i zbiorcze anomalie z GRACE. Uzyskali kilka ważnych wyników, na przykład zmiany dynamicznego pochylenia Ziemi, globalne, zmienne w czasie pola grawitacyjne o wysokiej rozdzielczości, dotkliwą suszę w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz obciążenia wodą spowodowane ulewnymi deszczami w Japonii.

W tym badaniu naukowcy przedstawiają długoterminowe i sezonowe zmiany przemieszczeń na stacjach GNSS oraz deformacje masy z GRACE w północnej części Ameryki Południowej. Odkryli odpowiednio opadające i wznoszące się obszary dodatnich i ujemnych deformacji masy. Natomiast stacje GNSS poruszały się w kierunku od ujemnych do dodatnich zniekształceń masy. Kosmiczne obserwacje geodezyjne w uzasadniony sposób uchwyciły sezonowe zmiany w lądowych obciążeniach hydrologicznych, które charakteryzują się naprzemiennymi porami deszczowymi i suchymi w pobliżu równika.

Jeśli chodzi o mapę pokazującą anomalie masy i przemieszczenia powierzchni na wyspie Hokkaido w północnej Japonii, międzyroczne różnice w anomaliach masy i amplitudzie sezonowych ruchów skorupy dobrze odzwierciedlały międzyroczne różnice w ilości śniegu.

Przemieszczenia masowe i anomalie z GNSS i GRACE dostarczają uzupełniających informacji na temat sezonowych zmian obciążeń powierzchniowych, takich jak lądowe obciążenia hydrologiczne. „Ze względu na różne rozdzielczości przestrzenne tych dwóch technik, przemieszczenia i anomalie masy są często niespójne, gdy obciążenia powierzchniowe składają się ze złożonych anomalii o małej skali. Będzie to główny kierunek przyszłych badań geodezyjnych obciążeń powierzchniowych” – powiedział profesor Kosuke Hikki, profesor wizytujący w SHAO.

Ponadto ciągłe przemieszczenia obserwacyjne GNSS mogą być wykorzystywane do odzwierciedlania zmieniającego się w czasie pola grawitacyjnego i monitorowania zmieniających się anomalii ładunków wody w połączeniu z pomiarami GRACE. „Zdobyliśmy narzędzia do comiesięcznego badania globalnych pól grawitacyjnych i sygnałów obciążeń geofizycznych z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną, a takie kosmiczne techniki geodezyjne będą ważne w monitorowaniu katastrofalnych powodzi i susz” – powiedział profesor Jin.