Observing and Understanding Earth Rotation

A Join GGOS/IAU Sciences Workshop

October 25-28, 2010Shanghai, China

Małgorzata PaśnickaSeminarium Zakładu Geodezji Planetarnej

14 stycznia 2011

Shanghai Astronomical Observatory (SHAO)

Szanghajskie Obserwatorium Astronomiczne (chiń. 上海天文台 ) powstało w 1962 z połączenia obserwatoriów Sheshan i Xujiahui. Należy do Chińskiej Akademii Nauk.

Obserwatorium Szanghajskie składa się z dwóch części: Xujiahui, ustanowionego w 1872 i Sheshan - w 1900. To drugie wyposażone zostało w 40 cm astrograf, największy podówczas teleskop w Azji Wschodniej. Przyrząd ten, wciąż czynny w 1986, jest jednym z nielicznych na świecie, który rejestrował dwa pojawienia się komety Halleya – w 1910 i 76 lat później. Na Sheshan, obok obserwatorium, znajduje się bazylika Matki Bożej w Chinach, jedno z najważniejszych katolickich centrów pielgrzymkowych w tym kraju.

Widok wzgórza Sheshan z kopułami obserwatorium i bazyliką

Shanghai Astronomical Observatory (SHAO)

W latach 50. XX wieku zarząd nad stacjami przejęło Obserwatorium Astronomiczne Zijinshan. W 1962 r. stworzono z nich Szanghajskie Obserwatorium Astronomiczne. W latach 80. obserwatorium otrzymało m.in. 1,5 m teleskop i 25 m radioteleskop, używany obecnie jako część projektu Very Long Baseline Interferometry (VLBI) (interferometrii z bardzo długą linią bazową) i Europejskiej sieci VLBI (EVN).

Scientific Program Session 1 – Introduction Session 2 – Earth Rotation Measurement Techniques Session 3 – Earth Rotation Analysis and Prediction Session 4 – Excitation by Surface Geophysical Fluids Session 5 – Excitation by Non-Fluid Processes Session 6 – Integrating Earth Rotation, Gravity, and

Shape Measurements into a Global Geodetic Observing System

Wstęp1) Zmiany rotacji Ziemi: szeroki zakres zmian czasowych, w których ruch obrotowy

ulega zmianie odzwierciedla szeroki zakres różnorodnych procesów, które powodują te zmiany; zaliczamy tu: zewnętrzne siły pływowe, ciągłą wymianę momentu pędu między ciekłymi otoczkami Ziemi, procesy zachodzące we wnętrzu naszej planety;

2) Metody pomiarów: w przeszłości aż do dziś optyczna astrometria, geodezyjne techniki satelitarne i kosmiczne (SLR, LLR, GNSS, DORIS, VLBI); uruchomienie satelity GRACE w marcu 2002 roku i zagęszczenie globalnej sieci GNSS tworzą nowe możliwości studiowania ruchu obrotowego Ziemi; niezależne połączenie obserwacji ruchu obrotowego Ziemi, grawitacji i kształtu naszej planety umożliwi lepsze poznanie typowych procesów powodując zmiany ruchu obrotowego Ziemi

3) Rola GGOS: monitoruje system ziemski (zmiany w rotacji, ciężar, kształt)

Wspólny Workshop GGOS/IAU ma na celu ocenić obecne możliwości obserwacji zmian ruchu obrotowego Ziemi, zrozumieć przyczyny, które wywołują te zmiany oraz ewentualnie poprawić działanie zintegrowanego systemu GGOS.

Session 4 – Excitation by Surface Geophysical Fluids

Understanding Polar Motion Excitation – Historical and Contemporary Perspectives

Clark R. Wilson and Jianli Chen

University of Texas at Austin

Understanding Polar Motion Excitation – Historical and Contemporary Perspectives

Harold Jeffreys (1940) koncentrował się na oszacowaniu częstotliwości Chandlera. Wyprowadził równanie filtru cyfrowego, które to równanie odnosiło się do dyskretnych serii czasowych ruchu bieguna i jego ekscytacji; ponadto Jeffreys zaproponował używanie metody MEL ( maximum likelihood estimation) jako jednej z najbardziej odpowiednich metod estymacji.

Jeffreys’ (1940) Equation in Complex Notation (Introduced by Rudnick, 1956)

Mt = observed polar motion time seriest = geodetic excitation seriesT = time between samplesσ= 2ΠFc(1+i/2Qc) complex Chandler Frequency

χt = (i/σT)Mt – e(iσT) Mt-T

W 1940 Jeffreys opisał, jak częstotliwość Chandlera może być pobudzana poprzez zmiany meteorologiczne, co było powodem kolejnych badań; jako pierwsi opisali takie zjawisko Munk i Hassan (1960):

“The distribution of air over the Earth’s surface, though mainly periodic, is not strictly so; it does not accurately repeat itself every year. It is therefore possible that the free variation of latitude is maintained by the irregular variation of the products of inertia, superposed on the mean annual variation”

Understanding Polar Motion Excitation – Historical and Contemporary PerspectivesBest Linear Combination” (BLC) of geophysical excitations

Liniowe dopasowanie 6 geofizycznych ekscytacji metodą najmniejszych kwadratów do geodezyjnej ekscytacji ruchu bieguna; rozwiązanie dla współczynników C1-C6

EXD ~ C1*AMI+C2*WIN+C3*OAM+C4*OAC+C5*HAM + C6*AMN

DATA•January 2, 1993 – March 31, 2006•EOP C04 daily series– convert to excitation (EXD)•NCEP-NCAR atmospheric excitations: AMI=air mass IB, AMN = air mass non-IB, WIN = winds•ECCO_kf049f ocean excitations OAM=mass; OAC=currents•NCEP-NCAR terrestrial water storage = HAM•Eubanks excitation conventions, complex form (x+iy)

BLC –C6 (AMN) małe; większość współczynników ma niewielką część zespoloną, większość posiada magnitudę bliską 1•C1 0.9903 + 0.1029i •C2 0.9280 - 0.0671i•C3 0.9574 - 0.0472i•C4 0.7339 - 0.1633i•C5 -0.1319 + 0.4647i•C6 0.0731 - 0.1029i•BLC coefficients are consistent with expectations: –C1,C2, C3 (air, wind, and ocean mass) ~ 1 –C6~0 (no evidence of non-IB behavior in oceans) –C4 (ocean currents) (~0.7). -need to improve estimate; –C5 (terrestrial hydrology) (~.4) - need to improve estimate •Recent polar motion data are of better quality

Session 4 – Excitation by Surface Geophysical Fluids

How can we close the Earth rotational excitation budget?

J.L. Chen (1) , C.R. Wilson (2)

1 Center for Space Research, University of Texas, Austin2 Department of Geological Sciences, Jackson School of Geosciences University of Texas, Austin

How can we close the Earth rotational excitation budget?

Motywacja:▪ ocena danych pochodzących z pomiarów geodezji satelitarnej oraz modeli▪ ekscytacja rotacji Ziemi dostępna z niezależnych typów danych: misja GRACE, techniki geodezji satelitarnej, modele klimatyczne

▪ Grawimetryczna funkcja pobudzenia ruchu bieguna obliczona na podstawie danych:◦ GRACE (GRC) pomiary (ΔC21, ΔS21, i ΔC20)◦ GRACE HAM & CAM ◦ EOP▪ wyznaczenie funkcji ekscytacji z modeli klimatycznych[Atmosphere, Ocean, and Hydrosphere (Water) – AOW][Atmosphere, Ocean, Hydrosphere, & Cryosphere – AOWC]

Kriosfera, powłoka lodowa obejmująca warstwę od górnej troposfery do dolnej granicy gruntów przemarzniętych (wieloletniej zmarzliny). Wchodzi w ścisły związek z litosferą, atmosferą i hydrosferą.Do kriosfery należą lody: morskie, lodowców, lądolodów, wieloletniej zmarzliny i śniegi występujące stale w wysokich górach i na obszarach okołobiegunowych oraz okresowo na znacznych obszarach strefy umiarkowanej.

Gravity Change & Earth Rotation

Relationship between Earth rotational excitations (χ1, χ2, χ3) anddegree-2 gravitational changes ΔC21, ΔS21, and ΔC20 .

where ΔT=0, when considering mass load change on a sphere surface fora mass conserving Earth system (atmosphere, ocean, land water)

where M and R are the mass and mean radius of the Earth, respective-ly, C and A are the Earth’s principal moments of inertia, is the de-gree-2 load Love number (-0.301)

EOP Excitations▪ Observed EOP Excitations: ◦ Daily IERS combined EOP time series X, Y, & LOD (05 C04)▪ Atmospheric excitations (AAM): ◦ NCEP Reanalysis wind (up to 10 mb) & surface pressure data▪ Oceanic excitations (OAM): ◦ ECCO Data Assimilating OGCM (kf080)▪ Hydrological excitations (HAM): ◦ WaterGap Hydrological Model (WGHM) ◦ Land Water Storage Change from GRACE (forward modeling)▪ Cryospheric excitations (CAM): ◦ Ice Mass Change from GRACE (forward modeling)

Phasor Diagram of Annual Mass Excitations

Wnioski Niezależne oszacowania składowych χ1, χ2 i χ3 z danych GRC, EOP,

AOW (AOWC) są ogólnie w dobrej zgodności w szerokim paśmie częstotliwości.

Sezonowe wahania geofizycznych funkcji pobudzenia ruchu bieguna są zgodne, szczególnie dla χ2 i χ3 (diagramy fazowe).

Rozwiązania geofizycznej funkcji ekscytacji ruchu bieguna są lepsze dla tych wyznaczonych na podstawie misji GRACE niż z modeli hydrologicznych.

Nowy ośrodek kriosfera odgrywa ważną rolę w pobudzeniu wszystkich trzech składowych elementów EOP (biorąc pod uwagę zamknięcie budżetu).

Realizacja spójnego zachowania masy wszystkich elementów systemu Ziemi odgrywa kluczową rolę w zamknięciu budżetu geodezyjnego.

Session 6 – Integrating Earth Rotation, Gravity, and Shape Measurements into a Global Geodetic Observing System

Assessment of GRACE-derived water mass excitations to polar motion and length-of-day

Shuanggen Jin (1, 2), G.P. Feng (1, 3), L.J. Zhang (1, 3)

1 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, 2 Center for Space Research, University of Texas at Austin, 3 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, China

GRACE-derived Water storages from CSR, GFZ, and JPL

Comparison of Ocean bottom pressure from GRACE in GFZ &

JPL and ECCO

Secular variation of ocean bottom pressure from GRACE

Morze Arktyczne

Ocean Indyjski

Atlantyk

Pacyfik

Ocean Południowy

Comparison of excitations from CSR, GFZ and JPL

Phasor of seasonal polar motion excitations

Wnioski Hydrologiczne i oceaniczne masy wyznaczone z różnych

rozwiązań GRACE mają duży wpływ na sezonowy ruch bieguna ziemskiego i zmiany długości doby LOD.

Rozwiązania geofizycznej funkcji ekscytacji ruchu bieguna pochodzące z CSR są lepsze od innych rozwiązań w wyjaśnianiu sezonowych wahań w ruchu bieguna ziemskiego, szczególnie dla składowej Px

wyjaśnienie wzbudzenia Py jest względnie złe z tego powodu, że ta składowa jest bardziej wrażliwa na zmiany ilości wody; może to oznaczać złe szacunki wód gruntowych, szczególnie w małych obszarach dorzecza

Session 4 – Excitation by Surface Geophysical Fluids

High-latitude surface fluids mass contribution to polar motion from GRACE measurements

Shuanggen Jin1, 2, C. Liu1, 3, J.M. Sánchez Reales1,4

1Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Acad. Sci., China2Center for Space Research, University of Texas at Austin, USA3Graduate University of Chinese Academy of Sciences, China4Department of Applied Math., University of Alicante, Spain

Wnioski Zmiany rozkładu mas z wyższych szerokości

geograficznych pochodzące z pomiarów GRACE mają bardzo mały wpływ na sezonowe zmiany w pobudzeniu bieguna ziemskiego i długość dnia, mogą być ignorowane

Hydrologiczne i oceaniczne zmiany mas, włączając te z wyższych szerokości geograficznych, są niewystarczające do wyjaśnienia sezonowego pobudzenia ruchu bieguna i zmian w długości dnia, wskazują być może na złe oszacowanie tych mas w wyższych szerokościach geograficznych

Na zakończenie….

Dziękuję za uwagę