Die Gezeiten des Ozeans stören die Umlaufbahnen künstlicher Erdsatelliten. Dies schließt das Satellitentandem, das die GRACE-FO-Konstellation bildet und das Schwerefeld der Erde vermessen soll, ein. Um die Klimavariablen zu messen, die mit der GRACE-Mission überwacht werden sollen (Grundwasser, Eisschilde, Ozeanzirkulation), müssen die Auswirkungen der Ozeangezeiten auf die Umlaufbahnen verstanden und reduziert werden.
Roman Sulzbach, GFZ
Wie entstehen Ozeangezeiten?
Falls Sie schon einmal eine Küstenregion besucht haben, die durch Gezeiten geprägt ist, sind Sie vielleicht mit den grundlegenden Prinzipien der Gezeitenphysik vertraut. Der Mond zieht die Ozeane gravitativ an. Infolgedessen führt die mittlere Anziehungskraft zwischen Erde und Mond zu den nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen der beiden Himmelskörper. Da die Anziehungskraft jedoch mit der Entfernung vom Zentrum des Mondes abnimmt, ist sie auf der "fernen" Seite der Erde etwas schwächer und auf der "nahen" Seite der Erde bezüglich des Mondes etwas stärker (siehe Abb. 1; rote Kurve). Dieser Unterschied zwischen der Anziehungskraft des Mondes auf beiden Seiten der Erde ist die Ursache der sogenannten Gezeitenkräfte. Diese Kräfte wiederum rufen in den Ozeanen die Ausformung von Wellenbergen und Wellentälern hervor (Abb. 1; pinker Bereich).
In Wirklichkeit hindern mehrere Faktoren, darunter die Tiefe der Ozeane, die Lage der Küstenlinien und der Coriolis-Effekt, die Weltmeere daran, die gezeigten perfekten Wellenberge auszubilden. Es entstehen komplexere Strukturen (Abb. 2). Als Folge der Gezeitenkräfte werden die Wassermassen jedoch periodisch umverteilt - eine Tatsache, die bei der Beobachtung von Ebbe und Flut an der Küste mit bloßem Auge erkennbar ist.
Auswirkungen der Gezeiten auf die GRACE-Messungen
Während ein HochwasserHochwasser sind immer wieder auftretende natürliche Ereignisse, die durch ein komplexes Zusammenspiel meteorologischer und hydrologischer Prozesse entstehen. Hochwasser wird der Zustand bei Gewässern genannt, bei dem sich der Wasserstand oder der A...ereignis die Konzentration von Wassermassen and einem Ort, d.h. die Zunahme der Anziehungskraft, darstellt, geschieht bei Ebbe genau das Gegenteil. Stellen Sie sich vor, ein Satellit überfliegt eine Region, in der gerade Flut herrscht. Die zusätzlichen Wassermassen ziehen den Satelliten an und beschleunigen daher seine Bewegung leicht. Andererseits wird ein Satellit, der dasselbe Gebiet bei Ebbe überfliegt, auf seiner Umlaufbahn leicht abgebremst (Abb. 3). Diese winzigen Unterschiede in der Beschleunigung und Geschwindigkeit der Satelliten können mit modernen geodätischen Raumverfahren gemessen werden. Es ist wichtig, diese gezeitenbedingten Effekte zu erkennen und zu korrigieren, da sie sich nicht von Beschleunigungseffekten aufgrund anderer Massenänderungen unterscheiden lassen. Werden sie nicht korrigiert, verschlechtern sie die Qualität der GRACE-FO-Messungen.
Vorhersage von Gezeiten mit Hilfe eines Computermodells
Um die Gezeiten des Ozeans zu verstehen, verwenden Geowissenschaftler Computermodelle in Kombination mit Messdaten, bei denen es sich um Satellitenbeobachtungen oder terrestrische Beobachtungen handeln kann. Obwohl moderne Modelle sehr genau sind, verwenden sie oft eine mathematische Annäherung, die zu einer Vereinfachung der Gezeitenkräfte führt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Gezeitenkräfte nur linear über den Bereich des Erddurchmessers abnehmen. Dies ist eine nützliche Näherung, die zur Beschreibung der Gezeitenkräfte durch die schwarz-gestrichelte Linie in Abb. 1 führt und als "Grad-2-Näherung" bezeichnet werden kann. Allerdings wird bei diesem Ansatz ein winziger Teil der Gezeitenanziehung (etwa 1/60 der gesamten Kraft) vernachlässigt (Abb. 1; schwarze Kurve). Mit anderen Worten: Der Wellenberg auf der dem Mond zugewandten Seite der Erde ist etwas größer als der andere gegenüberliegende, was Auswirkungen auf die Gezeiten der Ozeane hat.
Verbesserte Gezeitenvorhersagen durch Grad-3-Gezeiten
Zur Vorhersage dieses winzigen Unterschieds, der als "Grad-3 Gezeiten" bezeichnet wird, haben wir ein numerisches Gezeitenmodell verwendet, das unabhängig von Messdaten arbeitet. Dies ist notwendig, da die Gezeitensignale 3. Grades im Vergleich zu den Gezeiten des 2. Grades sehr klein sind (Abb. 2), was die Sammlung zuverlässiger Daten zur Begrenzung dieses Effekts erschwert. Anhand der spärlichen verfügbaren Datensätze konnte gezeigt werden, dass unsere Modellvorhersagen zu 50-80 % mit den Messungen übereinstimmen, was es letztendlich ermöglichen wird, diese Effekte aus den GRACE-Messungen herauszurechnen und die Schwerefeldschätzungen zu verbessern.
Literaturtipps
- Sulzbach, R., Wziontek, H., Hart-Davis, M. et al. Modeling gravimetric signatures of third-degree ocean tides and their detection in superconducting gravimeter records. J Geod 96, 35 (2022). https://doi.org/10.1007/s00190-022-01609-w
- Pugh, D. and Woodworth, P.: Sea-Level Science: Understanding Tides, Surges, Tsunamis and Mean Sea-Level Changes, Cambridge University Press (2014).