CBK PAN liderem drugiej kampanii porównawczej predykcji parametrów orientacji Ziemi

Parametry orientacji Ziemi
Znajomość parametrów orientacji Ziemi (Earth Orientation Parameters, EOP), w skład których wchodzą składowe nutacji (czyli zmiany położenia osi obrotu Ziemi względem ciał niebieskich), ruchu bieguna oraz zmiany długości doby, jest niezbędna do przeprowadzenia transformacji współrzędnych punktu z niebieskiego układu odniesienia do ziemskiego układu odniesienia i odwrotnie. Ta transformacja jest kluczową operacją w wielu zagadnieniach współczesnej geodezji czy astronomii, m.in. w precyzyjnym pozycjonowaniu i nawigacji na powierzchni Ziemi i w przestrzeni kosmicznej. Dokładnych obserwacji EOP dostarczają współczesne geodezyjne techniki pomiarowe, takie jak globalne systemy nawigacji satelitarnej (Global Navigation Satellite Systems, GNSS), satelitarne pomiary laserowe (Satellite Laser Ranging, SLR) czy też interferometria bardzo długich baz (Very Long Baseline Interferometry). Aktualnie wykorzystywane metody obserwacyjne pozwalają na wyznaczenie EOP z dokładnością 1,5 mm. Informacja o parametrach orientacji Ziemi jest kluczowa dla badań naukowych, zastosowań praktycznych z dziedziny GNSS, planowania misji kosmicznych czy dla użytkownika wyznaczającego trasę podróży lub przeprowadzającego obserwacje nieba.

Potrzeba modelu predykcji
Niestety parametry orientacji Ziemi nie są dostępne w czasie rzeczywistym. Pojawiają się z opóźnieniem wynoszącym od kilku godzin do nawet kilku tygodni.
Opóźnienia w dostarczeniu danych obserwacyjnych do centrów obliczeniowych i konieczność stosowania skomplikowanych procedur obliczeniowych na dużych zbiorach danych pozyskanych z różnych technik obserwacyjnych sprawiają, że wykorzystanie danych modelowych otrzymanych na podstawie predykcji ruchu obrotowego naszej planety jest jedynym rozwiązaniem braku dostępności EOP w czasie rzeczywistym.
Dlatego opracowanie możliwie najdokładniejszego modelu ruchu obrotowego Ziemi i jego predykcji jest fundamentalnym wyzwaniem dla współczesnej geodezji i geofizyki. Ze względu na skomplikowany charakter ruchu obrotowego naszej planety opracowanie pełnego analitycznego modelu tego ruchu jest bardzo złożonym problemem. Wymaga znajomości wewnętrznej budowy naszej planety, zrozumienia roli ziemskich ośrodków ciekłych, czyli na przykład oceanów i wiatrów w zaburzeniach ruchu obrotowego Ziemi, poznania oddziaływań grawitacyjnych ze strony ciał niebieskich, jak i wykorzystania zaawansowanych procedur obliczeniowych.

Pierwsza kampania porównawcza
Wiele ośrodków badawczych i komercyjnych z całego świata podejmowało próby opracowania metody prognozowania EOP, wykorzystując zarówno modele geofizyczne, jak i zaawansowane metody analizy szeregów czasowych. Wyrazem zrozumienia wagi tego zagadnienia było przeprowadzenie w latach 2006-2008 kampanii porównawczej otrzymywanych EOP (Earth Orientation Parameters Prediction Comparison Campaign, EOP PCC), której celem było porównanie oraz walidacja tych zróżnicowanych metod predykcji pod kątem znalezienia możliwie optymalnej metody prognozowania. To ważne międzynarodowe przedsięwzięcie poprowadziła Politechnika Wiedeńska w ścisłej współpracy z Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Druga kampania porównawcza
W ciągu ponad dziesięciu lat, które upłynęły od ostatniej kampanii porównawczej predykcji EOP, dokonano znacznego postępu w metodach przetwarzania obserwacji geodezyjnych. Zmniejszaniu uległy również opóźnienia w dostarczaniu tych danych oraz poszerzona została wiedza na temat roli geofizycznych ośrodków ciekłych w zaburzeniach ruchu obrotowego Ziemi i w opracowaniu predykcji EOP. Liczba grup badawczych, które czynnie pracują nad opracowywaniem nowych metod prognozowania również uległa zwiększeniu.
Te wszystkie fakty stały się powodem przeprowadzenia ponownej oceny jakości poszczególnych metod predykcji. Potrzeba taka została podniesiona między innymi przez międzynarodową grupę roboczą zajmującą się sygnałami klimatycznymi w parametrach orientacji Ziemi (Joint Working Group C.1: Climate Signatures in Earth Orientation Parameters), która powołana została przez Międzynarodową Asocjację Geodezji (International Association of Geodesy, IAG) w 2019 roku i działa jako podgrupa Międzykomisyjnego Komitetu ds. Geodezji w badaniach klimatu (Inter-Commission Committee on „Geodesy for Climate Research”, ICCC). Istotność tego zagadnienia dla środowiska międzynarodowego potwierdziła Międzynarodowa Służba Ruchu Obrotowego Ziemi i Systemów Odniesienia (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS), która w marcu 2021 roku utworzyła specjalną grupę roboczą dedykowaną przeprowadzeniu kolejnej kampanii porównawczej predykcji parametrów orientacji Ziemi (IERS Working Group on the 2nd Earth Orientation Parameter Prediction Comparison Campaign).
Profesor Jolanta Nastula z Centrum Badań Kosmicznych PAN została liderem tej ważnej międzynarodowej aktywności we współpracy z IERS oraz GFZ (Deutsche GeoForschungsZentrum). Za przygotowanie kampanii odpowiada nadzorowana przez nią grupa w CBK PAN, w skład której wchodzą mgr inż. Justyna Śliwińska, mgr inż. Tomasz Kur, mgr inż. Aleksander Partyka, Danuta Śleszyńska, Konrad Kowalski, a także dr Małgorzata Wińska z Politechniki Warszawskiej.

Faza operacyjna drugiej kampanii
Dokładnie 1 września 2021 roku została uruchomiona faza operacyjna kampanii, podczas której predykcje EOP przesyłane co tydzień przez zarejestrowanych uczestników są zbieranie i regularnie poddawane ewaluacji. W kampanii bierze udział 21 ośrodków badawczych z całego świata, które stanowią 18 zespołów przygotowujących i udostępniających swoje prognozy. Łącznie zgłoszono 36 różnych metod predykcji wykorzystujących różne algorytmy obliczeniowe, jak również rozmaite dane obserwacyjne i modele związane m.in. z oddziaływaniem atmosfery i oceanów. Przez pierwszych osiem tygodni kampanii wpłynęło łącznie 637 prognoz. Współrzędne ruchu bieguna oraz UT1-UTC są najczęściej obliczanymi parametrami (ponad 2/3 wszystkich plików), najrzadziej są przesyłane natomiast parametry nutacji (zaledwie 15% wszystkich plików).
Kampania planowana jest do końca 2022 roku z możliwością przedłużenia.
Zachęcamy do odwiedzenia strony internetowej kampanii (eoppcc.cbk.waw.pl), gdzie znajdują się szczegółowe informacje dotyczące tego przedsięwzięcia.