Naukowcy z IGiG UPWr: kombinacja zamiast zastępowania danych w rozwiązaniach GRACE

Misje GRACE oraz GRACE Follow-On doskonale sprawdzają się w wyznaczaniu zmian pola grawitacyjnego Ziemi, w monitorowaniu topnienia lodowców oraz badaniach stanu hydrologii lądowej. Jednakże nie są one w stanie wyznaczyć wiarygodnych wartości spłaszczenia Ziemi (C20) czy też parametru opisującego „gruszkowatość” Ziemi (C30), czyli asymetrię równikową. Dlatego dane C20 i C30 z GRACE zastępowane są standardowo danymi SLR z pomiarów laserowych.

Satelity GRACE-FO (fot. NASA)

Propozycja naukowców z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu jest inna. Zamiast zastępować dwa wybrane parametry, lepiej łączyć rozwiązania GRACE i SLR z uwzględnieniem błędów wyznaczenia wszystkich parametrów pola grawitacyjnego z obu technik. Nowe rozwiązanie wpływa na zmianę wyznaczenia wartości ubytku lodu na Grenlandii i Antarktydzie oraz prowadzi do mniejszych błędów niż standardowe podejście.

• Standardowe rozwiązania GRACE

Misja GRACE oraz jej następca GRACE Follow-On przyniosły znaczny postęp w zdolności monitorowania procesów związanych z transportem masy na Ziemi. Dostarczają one danych miesięcznych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, pozwalając badać zmiany nawet na niewielkich obszarach (jak dorzecza mniejszych rzek). Bardzo ważnym aspektem jest również dostarczanie obserwacji na obszarach niedostępnych do bezpośredniego pomiaru, takich jak wewnętrzne części Antarktydy oraz Grenlandii. Bieżące monitorowanie lodowców Grenlandii i Antarktydy jest istotne nie tylko ze względu na ich wkład w globalny poziom morza, ale także ze względu na bezcenne wskazówki dotyczące ogólnej kondycji i stabilności obszarów polarnych Ziemi.

Już na początku misji GRACE okazało się, że ze względu na konstrukcję oraz miejsce orbitowania satelitów niemożliwe będzie poprawne oszacowania współczynnika odpowiedzialnego za spłaszczenie Ziemi (C20). Powodem był okresowy sygnał co około 161 dni związany z efektami termicznymi wpływającymi na satelity. Również sferyczną harmoniczną C30, odpowiedzialną za asymetryczność Ziemi pomiędzy półkulą północną i południową, zaczęto zastępować w momencie wyłączenia jednego z akcelerometrów. Zabieg ten miał na celu wydłużenie misji GRACE tak, by zapewnić jak najmniejszą przerwę pomiędzy jej kontynuacją.

Zastępowanie stosowane jest również dla misji GRACE Follow-On, gdzie jeden z akcelerometrów uległ awarii. Jednak łączenie dwóch technik i wybieranie tylko kilku elementów do zastąpienia może nie uwzględniać korelacji między poszczególnymi sferycznymi harmonicznymi pochodzącymi z laserowych pomiarów odległości do satelitów (SLR). Może to prowadzić do wprowadzenia błędów do rozwiązania poprzez uwzględnianie tylko niektórych składowych z rozwinięcia modelu SLR do stopnia i rzędu wyższego, a w konsekwencji szacunki mas mogą być niedoszacowane.

• Propozycja kombinacji danych SLR i GRACE

W odpowiedzi na te wyzwania, zaproponowano podejście kombinujące sferyczne harmoniczne niskiego rzędu (do stopnia i rzędu 10) oparte na błędach formalnych wyznaczenia poszczególnych składowych. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie spójnego rozwiązania, zgodnego zarówno z innymi modelami GRACE, jak i modelami hydrologicznymi, uwzględniającego wrażliwość każdej z technik na mierzone wielkości.

W artykule naukowców z IGiG opublikowanym w „Progress in Earth and Planetary Science” przeanalizowano wpływ zastępowania współczynników C20 i C30 w modelach GRACE różnymi danymi, porównując je z proponowaną kombinacją. Szczególny nacisk położono na obszary intensywnej utraty lodu, takie jak Grenlandia i Antarktyda. Rozwiązanie zostało również zweryfikowane poprzez porównania z modelami izostazji na obszarach objętych zmianami wysokości skorupy ziemskiej na skutek zlodowacenia – Fennoskandii i południowej Kanady, a także z modelami hydrologicznymi. Wyniki wskazują, że nawet sferyczne harmoniki C90 pochodzące z techniki SLR mogą być przydatne w rozwiązaniach łączonych.

Wyniki pokazują również, że kombinowane podejście zapewnia bardziej spójne i stabilne wyniki w porównaniu z prostym zastępowaniem poszczególnych współczynników harmonicznych sferycznych, co podkreśla znaczenie integracji wielu źródeł danych dla kompleksowego zrozumienia zmian pola grawitacyjnego.

Więcej informacji w artykule:
Gałdyn, F., Sośnica, K. „Impact of the combination and replacement of SLR-based low-degree gravity field coefficients in GRACE solutions”, „Progress in Earth and Planetary Science” 11, 7 (2024). https://doi.org/10.1186/s40645-024-00608-z

Źródło: IGiG UPWr