Clock networks for geodetic applications

verfasst von: Asha Vincent
betreut von: Franz Rottensteiner
Abstract: Die relativistische Geodäsie ermöglicht einen neuartigen Ansatz, bei dem Atomuhren zur Ableitung geodätischer Parameter verwendet werden. Eine Uhr, die um 1 cm angehoben wird oder bei der sich das Schwerepotential um 0,1 m^2/s^2 ändert, erfährt eine Frequenzänderung von 10^-18. Um die Erfassung zeitvariabler Schweresignale mit Uhren zu untersuchen, wurden Fallstudien in fünf Regionen durchgeführt, die durch unterschiedliche Massenänderungsprozesse gekennzeichnet sind: Himalaya, Amazonas, Grönland, Fennoskandien und Japan. Uhrenbeobachtungen, die sowohl von Massenänderungen als auch von vertikalen Landdeformationen beeinflusst werden, wurden als Schwerepotentialschwankungen simuliert. Im Himalaya und im Amazonasgebiet geben die saisonalen Potentialschwankungen Aufschluss über regionale Niederschläge und hydrologische Zyklen, während in Grönland der langfristige Eismassenverlust erfasst wird. In Fennoskandien führt der glazial-isostatische Ausgleichsprozess hauptsächlich zu vertikalen Deformationen, und in Japan liefern Zeitmessungen Einblicke in koseismische und postseismische Potentialschwankungen, wie sie für das Tōhoku-Erdbeben 2011 veranschaulicht wurden. Als Referenzuhr für die Vergleiche wurde eine Kombination aus boden- und weltraumgestützten Uhren in bekannten Satellitenbahnen angenommen, wobei die Gesamtunsicherheiten besser als 10^-18 sind. Diese Fallstudien zeigen das große Potenzial von Uhrennetzwerken zur Erkennung subtiler geophysikalischer Signale, die unser Verständnis der dynamischen Prozesse der Erde verbessern. Um ein internationales Höhenreferenzsystem zu verwirklichen, wurde eine umfassende Studie mit Hilfe von Closed-Loop-Simulationen mit dem Ziel durchgeführt, regionale/lokale Höhensysteme in Europa und Brasilien zu vereinheitlichen und eine Genauigkeit von 1 cm zu erreichen. Es wurden verschiedene Fehlerquellen untersucht, wie z. B. Datumsabweichungen, Neigungen (sowohl in Breiten- als auch in Längenrichtung), akkumulierte Neigungen, die auf der Entfernung von Referenzpegeln basieren, und höhenabhängige Fehler. Es wurden Uhren mit relativen Unsicherheiten von 10^-18 und 10^-17 angenommen, wobei intrinsische Unsicherheiten der Uhren, zeitliche Korrelationen, externe Faktoren wie Gezeiteneffekte, Ausbreitungsverzögerungen und das Vorhandensein von Ausreißern berücksichtigt wurden. Es wurden verschiedene Strategien zur Verteilung der Uhren getestet, um ein optimales Netzwerk für eine gute Schätzung dieser Fehler unter Berücksichtigung von Uhren an entfernten Nivellierpunkten, Referenzpegeln und Standorten mit größerer Höhe zu ermitteln. Ein Netzwerkdesign mit Haupt- und lokalen Uhren sowie reduzierten Verbindungen erscheint recht gut zu sein. Es kann eine Vereinheitlichungsgenauigkeit von 1 cm erreicht werden. Darüber hinaus konnten die vereinheitlichten Höhensysteme Europas und Brasiliens mit Bezug auf das globale Geoid mit einer Höhengenauigkeit von 3 cm realisiert werden. Die dritte Anwendung von Uhrennetzen konzentriert sich auf die Überwachung des globalen Meeresspiegels, der aufgrund des Klimawandels seit mehreren Jahrzehnten ansteigt. Bislang können Änderungen des absoluten Meeresspiegels (ASL) nur aus Messungen des relativen Meeresspiegels (RSL) genau bestimmt werden, indem vertikale Landbewegungen an Gezeitenmesspunkten geeignet berücksichtigt werden. Atomuhren an diesen Pegeln können absolute physikalische Höhenänderungen in Echtzeit liefern. Da der RSL durch regionale Gezeitendaten beeinflusst wird, müssen lokale Schwankungen berücksichtigt werden, um eine konsistente, globale ASL-Messung zu gewährleisten. Durch die Einbeziehung von Landbewegungen, die von Uhrenbeobachtungen abgeleitet werden, ist es möglich, ein einheitliches Referenzdatum festzulegen, das eine genaue, auf das Geoid basierende Bestimmung der globalen Meeresspiegelveränderungen ermöglicht. Diese Anwendungen zeigen, dass die relativistische Geodäsie mit Uhren die Geodäsie durch punktuelle und direkte Messungen des zeitvariablen Schwerepotenzials nahezu in Echtzeit revolutionieren kann.
Organisationseinheit(en): Institut für Erdmessung
Typ: Dissertation
Anzahl der Seiten: 127
Publikationsdatum: 04.07.2025
Publikationsstatus: Veröffentlicht
Ziele für nachhaltige Entwicklung: SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen
Elektronische Version(en): https://doi.org/10.15488/19225 (Zugang: Offen)
https://publikationen.badw.de/de/050352196 (Zugang: Offen)
: Details im Forschungsportal „Research@Leibniz University“

BibTeX

@phdthesis{e25ca7a2fa53473d987e06662bb8060e,
title = "Clock networks for geodetic applications",
abstract = "Relativistic geodesy enables a novel approach that utilises atomic clocks for deriving geodetic parameters. A clock lifted by 1 cm or affected by a gravity potential variation of 0.1 m^2/s^2 observes a fractional frequency change of 10^-18. To study the detection of time-variable gravity signals with clocks, case studies have been conducted in five regions characterised by different mass change processes: the Himalayas, Amazon, Greenland, Fennoscandia, and Japan. Clock observations, affected by both mass changes and vertical land deformations, have been simulated as gravity potential variations. In the Himalayas and Amazon, seasonal potential variations reveal regional precipitation and hydrological cycles, while in Greenland, long-term ice mass loss is captured. In Fennoscandia, glacial isostatic adjustment mainly leads to vertical deformations, and in Japan, clock measurements provide insights into co-seismic and post-seismic potential variations, illustrated for the 2011 Tōhoku earthquake. The reference clock for the comparisons was assumed to be realised by a combination of ground-based and space-based clocks in known satellite orbits, with overall uncertainties better than 10^-18. These case studies demonstrate the great potential of clock networks to detect subtle geophysical signals, enhancing our understanding of the Earth's dynamic processes. To realize an international height reference system, a comprehensive study using closed-loop simulations has been carried out with the goal of unifying regional/local height systems in Europe and Brazil, targeting an accuracy of 1 cm. Various error sources were investigated such as datum offsets, slopes (both in latitude and longitude direction), accumulated tilts based on the distance from reference tide gauges, and elevation-dependent errors. Clocks with fractional uncertainties of 10^-18 and 10^-17 were assumed, accounting for intrinsic clock uncertainties, temporal correlations, external factors like tidal effects, propagation delays, and the presence of outliers. Different clock distribution strategies were tested to determine some optimised network setup for a good estimation of these errors considering clocks at distant levelling points, reference tide gauges, and elevated locations. A network design involving master and local clocks with reduced linkages appears quite good. A unification accuracy of 1 cm can be achieved. Moreover, the unified height systems of Europe and Brazil related to the global geoid can be realised with a height accuracy of 3 cm. The third application of clock networks focuses on monitoring the global sea level, which has been increasing over several decades due to climate change. Up to now, Absolute Sea Level (ASL) changes can only be accurately determined from Relative Sea Level (RSL) measurements by properly accounting for vertical land movements at tide gauge benchmarks. Atomic clocks at these tide gauges can provide real-time, absolute physical height changes. Since RSL is affected by regional tidal datums, local variations must be considered to ensure a consistent, global ASL measurement. By incorporating land motion derived from clock observations, it is possible to establish a uniform reference datum, enabling accurate, geoid-based assessments of global sea level changes. These applications show that relativistic geodesy with clocks can revolutionize geodesy by near real-time, pointwise and direct measurements of the time-variable gravity potential.",
author = "Asha Vincent",
year = "2025",
month = jul,
day = "4",
doi = "10.15488/19225",
language = "English",
isbn = "9783769653748",
series = "Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geod{\"a}sie und Geoinformatik der Leibniz-Universit{\"a}t Hannover",
school = "Leibniz University Hannover",
}