Aktualności

Naukowcy z IGiG wyznaczyli drgania bieguna Ziemi na podstawie obserwacji z 80 satelitów GNSS i 100 stacji naziemnych

02-01-2021

Naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr oraz Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu w Bernie w Szwajcarii udowodnili, że obserwacje GNSS do satelitów GPS, GLONASS oraz Galileo są w stanie dostarczyć wysokiej jakości informacji na temat wysokoczęstotliwościowych zmian w ruchu obrotowym Ziemi z okresem od kilku do kilkunastu godzin. Dzięki temu, po raz pierwszy udało się wyznaczyć model drgania bieguna ziemskiego z wykorzystaniem aż 80 satelitów: GPS, GLONASS i Galileo.

Wszystkie wcześniejsze wyznaczenia modeli empirycznych GNSS opierały się o system GPS, co powodowało problemy ze względu na dokładnie 2 obiegi satelitów GPS w ciągu doby, przekładające się na ryzyko rozpoznania błędów wyznaczenia orbit satelitów GPS jako ruchy bieguna. Nowa metoda integracji danych GNSS satelitów o różnych okresach obiegów pozwala na tworzenie niezależnych modeli empirycznych opisujących zmiany w ruchu obrotowym Ziemi wywołanych pływami oceanicznymi. W publikacji Zajdel et al. (2021) przedstawiono pierwszy tego rodzaju model sub-dobowych zmian w ruchu bieguna Ziemi oparty wyłącznie o obserwacje satelitów GPS, GLONASS oraz Galileo, który jest pozbawiony większości wad rozwiązań opartych wyłącznie o system GPS. Do wyznaczenia wykorzystano 3 lata ciągłych obserwacji ze 100 naziemnych stacji GNSS rozmieszczonych na wszystkich kontynentach i rejestrujących dane z 80 satelitów GNSS.

Ruch obrotowy Ziemi

Ruch obrotowy Ziemi ma zmienny charakter. Charakterystyczna zmienność w ruchu obrotowym Ziemi może być obserwowana jako sygnał o różnych okresach, począwszy od pojedynczych godzin (sub-dobowe zmiany spowodowane m.in. pływami oceanicznymi), lat (sezonowa zmiana rozkładu mas w systemie ziemskim), dekad i dłuższych (zmiany precesyjno-nutacyjne).

Parametry ruchu obrotowego Ziemi (ERP, ang. Earth Rotation Parameters) należą do fundamentalnych produktów geodezyjnych służących do transformacji pomiędzy Międzynarodowym Niebieskim Układem Odniesienia oraz Międzynarodowym Ziemskim Układem Odniesienia. Parametry ruchu obrotowego Ziemi konwencjonalnie opisują pozycję osi obrotu Ziemi w odniesieniu do skorupy Ziemi (współrzędne X i Y bieguna) oraz różnice rzeczywistego czasu obrotu Ziemi w stosunku do umownych 24h, reprezentowaną przez parametr różnicy czasów uniwersalnych: rzeczywistych i koordynowanych UT1-UTC wraz z jego pierwszą pochodną po czasie nazwaną ekscesem długości doby (LoD, ang. Length-of-Day). Jako że satelity na orbitach okołoziemskich realizują inercyjny system, przetwarzanie sygnałów przez globalnie rozmieszczoną, gęstą sieć stacji naziemnych umożliwia wyznaczanie zarówno współrzędnych bieguna jak i ekscesu długości doby.

Wysokoczęstotliwościowe zmiany w ruchu obrotowym Ziemi

Wysokoczęśtotliwościowa zmienność parametrów ruchu obrotowego Ziemi, czyli taka o okresach sygnałów krótszych niż 48h, jest aktualnie uwzględniana w analizach GNSS poprzez konwencjonalny model IERS2010 (Petit and Luzum 2010). Model IERS2010 oraz inne alternatywne modele, wyznaczane są przeważnie na podstawie długookresowych obserwacji pływów oceanicznych. Badania pokazują, że istnieje niezaniedbywalna różnica pomiędzy modelami empirycznymi pochodzącymi z przetwarzania obserwacji satelitarnych, a modelami geofizycznymi utworzonymi na podstawie danych o pływach oceanicznych. Poprawa spójności techniki GNSS z innymi technikami satelitarnymi jest kluczowa dla realizacji międzynarodowych układów odniesień przestrzennych oraz kombinacji technik obserwacyjnych, a przez to fundamentalna dla geodezji jako nauki.

Sygnały w ruchu obrotowym Ziemi: geodynamiczne i orbitalne

Wysokoczestotliwościowe zmiany w ruchu bieguna ziemskiego, powinny być zależne głównie od pływów oceanicznych (oraz w pewnym zakresie również zmian hydrologicznych i atmosferycznych). W publikacji pokazano jednak, że w zależności od tego czy wykorzystamy system GPS, GLONASS czy Galileo obserwujemy również sztuczne sygnały wynikające z rezonansu pomiędzy okresem obiegu satelitów, a ruchem obrotowym Ziemi. Sygnały te możemy wyeliminować, stosując do obliczeń wszystkie dostępne konstelacje, co urozmaica geometrię wycznacenia parametrów. Dodatkowo zestawiono możliwe okresy charakterystyczne, jakie w badaniach wysokoczęstotliwościowych zmian w systemie ziemskim mogą napotkać badacze wykorzystujący dane GPS, GLONASS oraz Galileo.

Empiryczny model wysokoczęstotliwościowych zmian w ruchu bieguna ziemskiego na podstawie danych GPS, GLONASS i Galileo

Po raz pierwszy wykorzystano obserwacje trzech konstelacji nawigacyjnych t.j. GPS, GLONASS i Galileo do stworzenia niezależnego modelu wysokoczęstotliwościowych zmian w ruchu bieguna ziemskiego wywołanych pływami oceanicznymi. Wyznaczono z inerwałem 2-h pozycje bieguna, a następnie wpasowano 38 głównych pływów oceanicznych o ruchu prawoskrętnym i lewoskrętnym, których okresy znamy z teorii pływów. Porównanie z alternatywnymi modelami opartymi o geofizyczne modele pływów oceanicznych oraz obserwacje VLBI wykazało dużą zgodność dla otrzymanych rezultatów.

Więcej na temat wyznaczania wysokoczęstotliwościowych zmian w ruchu bieguna ziemskiego przeczytamy w najnowszym artykule w czasopiśmie Journal of Geodesy:

Zajdel, R., Sośnica, K., Bury, G. Dach, R., Prange, L., Kaźmierski, K. (2021) Sub-daily polar motion from GPS, GLONASS, and Galileo. Journal of Geodesy 95, 3. https://doi.org/10.1007/s00190-020-01453-w