docZastosowanie pływowych pomiarów grawimetrycznych w badaniach
download 
Reklamacja Transkrypt
Zastosowanie pływowych pomiarów grawimetrycznych w badaniach
Zastosowanie pływowych pomiarów grawimetrycznych w badaniach geodezyjnych, geofizycznych i geodynamicznych Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Marcin Rajner Katedra Geodezji i Astronomii Geodezyjnej, Wydział Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej [email protected] www.grat.gik.pw.edu.pl/igf 28 października 2016 Seminarium ZFL Instytutu Geofizyki UW pozycjonowanie Wprowadzenie Grawimetria w geodezji Struktura IAG Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania układy odniesienia ruch obrotowy Ziemi pole siły ciężkości 2 pozycjonowanie Wprowadzenie Grawimetria w geodezji Struktura IAG Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania ruch obrotowy Ziemi pole siły ciężkości 2 IUGG IAG Wprowadzenie Grawimetria w geodezji Struktura IAG Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania 3 IUGG IAG Wprowadzenie [C3] Earth Rotation [C2] and Geodynamics Gravity Field [SC3.1] Earth Tides and Geodynamics Grawimetria w geodezji Struktura IAG Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania 3 IUGG IAG Wprowadzenie [C3] Earth Rotation [C2] and Geodynamics Gravity Field [SC3.1] Earth Tides and Geodynamics ICET IGETS Grawimetria w geodezji Struktura IAG Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania International Centre for Earth Tides International Geodynamics and Earth Tide Service JWG2.5 Physics and dynamics of the Earth’s Interior from gravimetry JSG 0.8 Theory and inversion in gravity-solid Earth coupling 3 Badanie pola siły ciężkości i pływów ziemskich Grawimetry Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Klinometry Gradientometry Astrometria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Analizy orbit ciał zewnętrznych Ekstensometry 4 Badanie pola siły ciężkości i pływów ziemskich Grawimetry naziemne, satelitarne, morskie, lotnicze balistyczne, nadprzewodnikowe, sprężynowe, atomowe Klinometry Gradientometry Astrometria Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Analizy orbit ciał zewnętrznych Ekstensometry 4 Badanie pola siły ciężkości i pływów ziemskich Grawimetry naziemne, satelitarne, morskie, lotnicze balistyczne, nadprzewodnikowe, sprężynowe, atomowe Klinometry Gradientometry Astrometria Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Analizy orbit ciał zewnętrznych Ekstensometry 4 Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania ~g 5 Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania ~g 5 Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania ~g 5 Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania ~g Więcej szczegółów na kolejnych seminariach 5 Grawimetryczne pomiary pływowe Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania 6 Grawimetryczne pomiary pływowe Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania 6 Grawimetryczne pomiary pływowe Wprowadzenie Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania IGIK PW CBK PAN 6 1s 1h 1d 1m 1y 100 µGal Wprowadzenie atmosfera 10 µGal Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? 1 µGal Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 100 nGal Inne zastosowania 10 nGal 1 nGal 100 102 104 okres [s] 106 108 7 1s 1h 1d 1m 1y 100 µGal Wprowadzenie atmosfera 10 µGal Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? 1 µGal Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 100 nGal Inne zastosowania 10 nGal 1 nGal 100 102 104 okres [s] 106 108 7 1s 1h 1d 1m 1y 100 µGal Wprowadzenie atmosfera 10 µGal 100 nGal Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie ∼20 d 120 s 0,2 µGal Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie ET 1 µGal Grawimetria Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania 10 nGal 1 nGal 100 102 104 okres [s] 106 108 7 1s 1h 1d 1m 1y 100 µGal Wprowadzenie atmosfera 10 µGal Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? SG 1 µGal Pływy ziemskie ∼1 · 102 d Czym są zjawiska pływowe? 1s 100 nGal 10 nGal 0,01 µGal Inne zastosowania 1 nGal 100 102 104 okres [s] 106 108 7 1s 1h 1d 1m 1y 100 µGal Wprowadzenie atmosfera AG 2d 10 µGal 2 µGal 1 µGal Grawimetria Co mierzą grawimetry? Ciągłe pomiary grawimetryczne na świecie Co zawiera sygnał grawimetryczny? Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 100 nGal Inne zastosowania 10 nGal 1 nGal 100 102 104 okres [s] 106 108 7 „...If I were asked to tell what I mean by the Tides I should feel it exceedingly difficult to answer the question...” Lord Kelvin, 1882 Efekty powodowane przez różnicowe grawitacyjne oddziaływanie ciał zewnętrznych Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 8 „...If I were asked to tell what I mean by the Tides I should feel it exceedingly difficult to answer the question...” Lord Kelvin, 1882 Efekty powodowane przez różnicowe grawitacyjne oddziaływanie ciał zewnętrznych Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa ODDYCHANIE ZIEMI Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 8 „...If I were asked to tell what I mean by the Tides I should feel it exceedingly difficult to answer the question...” Lord Kelvin, 1882 426 Efekty powodowane przez różnicowe grawitacyjne .DE MUNDI S YST.EMA T.E oddziaływanie ciał zewnętrznych altera parte zequatoris; 1[. locum quem luna tribus ante horis occupabat; H locum telluris ei perpendiculariter subjectum; h locum huic oppositum ; It, k loca inde gradibus 9o distantia ; C H, Ch maris altitudines maximas mensuratas a centro telluris ; & CK, Ck altitudines minimas : & si axibus Hh, Kk describatur ellipsis, deinde ellipseos hujus revolutione circa axem majorem Hk describatur spha> rois HP A_h_ k ; designabit K r_ haec figuram marls quam proxime, & erunt C iv', Cf, C D, Cd altitudines maris in locis ODDYCHANIE ZIEMI F, f, D, d. Quinetiam si in a praefata ellipseos revolutione punctum quodvis iV describat Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania L '". _".... , si ""-,, circulum _ATAf, secantem pa-"%/ rallelos /_f, D d in locis quip__ _ Rysunek: 1687 – Philosophiænaturalis principia busvis R, T, Newton, & aequatorem Amathematica E in S; erit C A/- altitudo marls in locis omnibus, R, S, 7", sitis in hoc circulo. Hinc _in revolutione diurna loci cujusvis/P affluxus erit 8 pływy morskie pływy skorupy ziemskiej zmiany wysokości zmiany siły ciężkości zmiany kierunku linii pionu zmiany długości, powierzchni, objętości pływy atmosfery pływowe zmiany prędkości obrotowej Ziemi pływowe zmiany orientacji Ziemi efekty pośrednie pływów oceanicznych i atmosferycznych perturbacje ssz Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania „ciemna strona księżyca” i jego ucieczka rozrywanie ciał niebieskich wzmożona aktywność wulkaniczna trzęsienia Ziemi ... 9 pływy morskie pływy skorupy ziemskiej zmiany wysokości zmiany siły ciężkości zmiany kierunku linii pionu zmiany długości, powierzchni, objętości pływy atmosfery pływowe zmiany prędkości obrotowej Ziemi pływowe zmiany orientacji Ziemi efekty pośrednie pływów oceanicznych i atmosferycznych perturbacje ssz Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania „ciemna strona księżyca” i jego ucieczka rozrywanie ciał niebieskich wzmożona aktywność wulkaniczna trzęsienia Ziemi ... 9 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych $ Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 10 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych $ Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 10 n=0 n=1 n=2 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? $ 4 · 103 ☼ 3 · 108 n=3 $ 6 · 101 ☼ 1 · 104 n=4 $1 ☼ 5 · 10−1 n=5 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania $ 2 · 10−2 ☼ 2 · 10−5 $ 3 · 10−4 ☼ 8 · 10−10 $ 5 · 10−6 ☼ 4 · 10−14 11 Laplace ∞ Gm X R V = r n=2 r = τ̇ ṡ ḣ ṗ −N˙ p˙s X n Wprowadzenie Grawimetria f (ϕ, δ, t) n Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? A(K1−6 , R, ϕ) sin (a1 τ̇ + a2 ṡ + a3 ḣ + a4 ṗ + a5 24,833 27,3 365,25 8,8 18,6 20 942 h d d lat lat lat Przykłady zjawisk pływowych Doodson Pole sił pływowych o Składowa pionowa Ṅ 0 średni czas księżycowy średnia długość Księżyca + a6 p˙s )t Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania średnia długość Słońca średnia długość perigeum orbity Księżyca średnia długość węzła wstępującego orbity Księżyca średnia długość perigeum orbity Słońca 12 Fale pływowe 0 cpd 1 cpd 2 cpd 3 cpd M2 1,2 4 cpd $ ☼ 1 Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych 0,8 V m2 s−2 Wprowadzenie Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny 0,6 M0 Rozwinięcie Doodsona O1 0 Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych K1 0,4 0,2 Fale pływowe S2 Inne zastosowania S0 P1 Mf K2 Q1 0 10 N2 20 30 f ◦ h-1 40 50 60 13 Fale pływowe 0 cpd 1 cpd M0 S0 O1 Mf Q1 2 cpd 3 cpd M2 K1 P1 N2 4 cpd $ ☼ S2 K2 M3 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? log V m2 s−2 Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny M4 Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 0 10 20 30 f ◦ h-1 40 50 60 13 Fale pływowe – ϕ = 0◦ 0 cpd 1 cpd 2 cpd 80 $ ☼ M2 γ [µGal] 60 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny 40 Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa S2 20 Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania M0 N2 S0 Mf 0 K2 5 10 15 20 f ◦ h-1 25 30 35 13 Fale pływowe – ϕ = 52◦ 0 cpd 1 cpd 2 cpd 80 $ ☼ γ [µGal] 60 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny 40 Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa O1 K1 20 Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych M2 Inne zastosowania M0 P1 S0 Q1 Mf 0 S2 5 10 N2 15 20 f ◦ h-1 25 K2 30 35 13 Fale pływowe – ϕ = 90◦ 0 cpd 1 cpd 2 cpd 80 $ ☼ γ [µGal] 60 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych 40 Składowa pionowa M0 Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 20 S0 Mf 0 5 10 15 20 f ◦ h-1 25 30 35 13 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 100µGal Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 15 d 14 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 15 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania 15 Wyznaczanie współczynników grawimetrycznych Wprowadzenie 3 δ = 1 − k + h = 1,16 2 Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Przykłady zjawisk pływowych Pole sił pływowych Składowa pionowa Równanie obserwacyjne, Potencjał grawitacyjny Rozwinięcie Doodsona Fale pływowe Analiza pływowa vt = n X n=1 Ri δi cos(Φit + ∆Φi ) − Pt − Dt Istota grawimetrycznych obserwacji pływowych Inne zastosowania Kiedyś współczynniki grawimetryczne dawały informacje o budowie Ziemi, a opóźnienie fazowe miało dać informacje o lepkości płaszcza. 16 6 Nd Nd BC Nd Nd Wprowadzenie 3 Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? [nm s−2 ] Inne zastosowania Sejsmometr? 0 Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra −3 −6 17 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra Rysunek: i in.,period 2004of –15„Performance spectral densities ofRosat the quietest continuous days ofofa superconducting year (1998 for all the stations, except Moxa gravimeters from long-period to frequency tides” decrease is due to the decimation filter m (1996) and Sutherland (2000)) at 19 GGP seismology stations. The high 18 0 S10 0 S11 0 S12 0 S13 0 S14 0 S15 0 S16 0 S17 0 S18 0 S19 0 S20 0 S21 0 S22 0 S23 0 S24 0 S25 0 S26 0 S27 0 S28 0 S29 0 S30 0 S31 0 S32 0 S33 0 S34 0 S35 0 S36 0 S37 0 S8 0 S9 0 S4 0 S0 0 S5 1 S3 0 S6 1 S4 0 S7 0 S2 0 S3 1,0 przed EQ po EQ Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania [nm s−2 ] Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN 0,5 Mody jądra 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 częstotliwość [mHz] 3,5 4,0 4,5 19 0 S23 amplituda [nm s−2 ] 4 0 S16 0,8 model obs 3 Wprowadzenie 0,6 2 0,4 Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Sejsmometr? FCN 0,2 ·10−2 ·10−3 Mody jądra 2 0 0 −5 Pływy ziemskie Swobodne oscylacje Ziemi 1 5 Grawimetria −2 ∆ 0 5 10 15 20 25 30 czas [h] 0 4 8 czas [h] 12 −4 20 P1 S1 K1 ψ1 ϕ1 1,30 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 1,25 Inne zastosowania Sejsmometr? δr eal Swobodne oscylacje Ziemi 1,20 FCN Mody jądra 1,15 1,10 14,95 15,00 15,05 15,10 częstotliwość [◦ /h] 15,15 21 P1 S1 K1 ψ1 ϕ1 1,30 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 1,25 Inne zastosowania Sejsmometr? δr eal Swobodne oscylacje Ziemi 1,20 FCN Mody jądra 1,15 1,10 14,95 15,00 15,05 15,10 częstotliwość [◦ /h] 15,15 21 P1 S1 K1 ψ1 ϕ1 1,30 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 1,25 Inne zastosowania Sejsmometr? δr eal Swobodne oscylacje Ziemi 1,20 FCN Mody jądra 1,15 1,10 15,00 15,10 częstotliwość [◦ /h] 415 430 445 460 dni 21 P1 S1 K1 ψ1 ϕ1 1,30 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? 1,25 Inne zastosowania Sejsmometr? PDF 1,20 FCN Mody jądra 1,15 Q ∼ 1240 δr eal Swobodne oscylacje Ziemi 1,10 15,00 15,10 częstotliwość [◦ /h] 3,00 3,20 log10 Q 3,40 21 S. Rosat et al. / Journal of Geodynamics 38 (2004) 461–476 473 Wprowadzenie Grawimetria Pływy ziemskie Czym są zjawiska pływowe? Inne zastosowania Sejsmometr? Swobodne oscylacje Ziemi FCN Mody jądra Rysunek: Rosat i in., 2004 – „Performance of superconducting gravimeters from long-period seismology to tides” 22 Na zakończenie Dziękuję Pominięte zastosowania: badania atmosferyczne badania hydrologiczne badania glacjologiczne (wypiętrzanie polodowcowe) pośrednie efekty pływów oceanicznych odniesienie i weryfikacja innych metod pomiarowych Literatura 100µGal 2 Literatura δ 6= 0 $ 100µGal 2 Literatura Newton, I. (1687). Philosophiænaturalis principia mathematica. J. Societatis Regiae ac Typis J. Streater. Rosat, S., J. Hinderer, D. Crossley i J. Boy (2004). „Performance of superconducting gravimeters from long-period seismology to tides”. Journal of Geodynamics 38.3–5. Time Varying Gravimenty, GGP, and Vertical Crustal Motions, str. 461–476. 3
