Małgorzata Paśnicka Seminarium Zakładu Geodezji Planetarnej 14 stycznia 2011

1. Observing and UnderstandingEarth RotationA Join GGOS/IAU Sciences WorkshopOctober 25-28, 2010Shanghai, China Małgorzata Paśnicka Seminarium Zakładu Geodezji Planetarnej 14 stycznia 2011

2. 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. Widok wzgórza Sheshan z kopułami obserwatorium i bazyliką 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.

3. 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 VeryLongBaseline Interferometry (VLBI) (interferometrii z bardzo długą linią bazową) i Europejskiej sieci VLBI (EVN).

4. Scientific Program • Session 1 – Introduction • Session 2 – Earth RotationMeasurementTechniques • Session 3 – Earth Rotation Analysis and Prediction • Session 4 – Excitation by SurfaceGeophysicalFluids • Session 5 – Excitation by Non-Fluid Processes • Session 6 – Integrating Earth Rotation, Gravity, and ShapeMeasurementsinto a Global GeodeticObserving System

5. Wstęp 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; 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 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.

6. Session 4 – Excitation by Surface Geophysical Fluids Understanding Polar Motion Excitation – Historical and Contemporary Perspectives Clark R. Wilson and JianliChen University of Texas at Austin

7. 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 likelihoodestimation) jako jednej z najbardziej odpowiednich metod estymacji. Jeffreys’ (1940) Equation in Complex Notation (Introduced by Rudnick, 1956) χt = (i/σT)Mt – e(iσT) Mt-T Mt = observed polar motion time series t = geodetic excitation series T = time between samples σ= 2ΠFc(1+i/2Qc) complex Chandler Frequency

8. 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”

9. Understanding Polar Motion Excitation – Historical and Contemporary Perspectives Best Linear Combination” (BLC) of geophysicalexcitations 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 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 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 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

10. 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, Austin 2 Department of Geological Sciences, Jackson School of Geosciences University of Texas, Austin

11. 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, iΔC20) ◦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.

12. Gravity Change & Earth Rotation Relationship between Earth rotational excitations (χ1, χ2, χ3) and degree-2 gravitational changes ΔC21, ΔS21, and ΔC20 . 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) where ΔT=0, when considering mass load change on a sphere surface for a mass conserving Earth system (atmosphere, ocean, land water)

13. 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)

15. Phasor Diagram of Annual Mass Excitations

16. Wnioski • Niezależne oszacowania składowych χ1, χ2 i χ3z 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.

17. Session 6 – Integrating Earth Rotation, Gravity, and Shape Measurements into a Global Geodetic Observing System Assessment of GRACE-derived water mass excitations to polar motionand length-of-day ShuanggenJin (1, 2), G.P. Feng (1, 3), L.J. Zhang (1, 3) 1 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, 2Center for Space Research, University of Texas at Austin, 3Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, China

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

19. Comparison of Ocean bottom pressure from GRACE in GFZ& JPL and ECCO

20. Secular variation of ocean bottom pressure from GRACE Pacyfik Ocean Indyjski Morze Arktyczne Ocean Południowy Atlantyk

21. Comparison of excitations from CSR, GFZ and JPL

22. Phasor of seasonal polar motion excitations

23. 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

24. 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., China 2Center for Space Research, University of Texas at Austin, USA 3Graduate University of Chinese Academy of Sciences, China 4Department of Applied Math., University of Alicante, Spain

32. 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

33. Na zakończenie….

38. Dziękuję za uwagę