Das Wissen über das Schwerefeld spielt eine entscheidende Rolle für das Verständnis des Systems Erde. Das heterogene Schwerefeld formt den mittleren Meeresspiegel und wird in vielen verschiedenen Forschungsbereichen genutzt, z. B. bei der Bestimmung von Meeresoberflächenströmungen, der globalen Vereinheitlichung von Höhensystemen und der Kartierung von Massenverteilungen, die die Prozesse im Erdinneren widerspiegeln, nämlich Plattentektonik, Mantelkonvektion, Ausbreitung des Meeresbodens und Vulkanausbrüche.

Das Schwerefeld der Erde kann auf der Grundlage von Satellitenbeobachtungen und Schweremessungen an der Oberfläche global kartiert werden. Allerdings ist die räumliche Auflösung aufgrund des bandbegrenzten Spektralgehalts der Eingangsdaten begrenzt. Das GRAV4GEO-Projekt zielt darauf ab, die Auflösung globaler Schwerefeldmodelle durch eine Vorwärtsmodellierungstechnik über ihre Grenzen hinaus zu erweitern. Bei unserer Methode wird das Gravitationspotential der Erde durch numerische Integration des Newton'schen Gravitationsgesetzes auf der Grundlage sehr hoch aufgelöster digitaler Höhendaten und Massendichte-Informationen berechnet.  Ein solcher Ansatz ermöglicht es, die mittel- bis kurzwelligen Informationen eines globalen Schwerefeldmodells zu ergänzen. Die numerische Vorwärtsmodellierung wird entlang einer Folge dünner konzentrischer, elliptischer Schalen durchgeführt (wie in Abbildung 1 dargestellt). Das Ergebnis des Projekts sind hochauflösende Schwerefeldmodelle in Form von elliptischen oder sphärischen harmonischen Koeffizienten für die obere Erdkruste zwischen dem Marianengraben und dem Gipfel des Everest. 

Das Projekt ist eine Fortsetzung unserer früheren Aktivitäten im Bereich der topografischen Schwerefeldmodellierung (Abrykosov et al. 2019; Ince et al. 2020), bei denen damals konstante Dichtewerte für Fels, Ozeane, Seen und Eis angenommen wurden. GRAV4GEO zielt nun darauf ab, hierfür lateral variierende hochauflösende Dichtemodelle zusammen mit einem modernen globalen digitalen Höhenmodell zu verwenden. Das für das Projekt vorgesehene Dichtemodell (UNB_TopoDens_2v02) wurde von Wissenschaftlern der University of New Brunswick entwickelt (Sheng et al. 2019), während das verwendete zusammengesetzte globale digitale Höhenmodell von den Projektwissenschaftlern am GFZ erstellt wurde (GDEMM2024, Abrykosov et al. 2024). Letzteres besteht aus globalen Datensätzen für Oberfläche, Grundgestein und Eis und basiert auf einem konsistenten Zusammenschnitt aktueller Höhenmodelle.

Wie unsere Vorarbeiten zeigen (Abbildung 2), wird erwartet, dass die Ergebnisse des GRAV4GEO-Projekts folgende sein werden:

1. Verringerung des Auslassungsfehlers (Abbildung 2c) und Verbesserung der spektralen und räumlichen Auflösung der globalen Schwerefeldmodelle (Abbildung 2b)
2. Bereitstellung von auf Topographie/Dichte basierenden Schwerefeldinformationen, insbesondere für schwer zugängliche Gebieten
3. Verbesserte Reduktion der Schwerkraftmessungen um den topografischen Effekt (Abbildung 2a), um das Schweresignal der tieferen Erdschichten zu untersuchen. Dies sollte bei der 3D-Lithosphärenmodellierung helfen, insbesondere für geologisch komplexen Gebiete.

Darüber hinaus wird eine Verbesserung der Genauigkeit der Schwerkraftmodellierung durch die Verwendung lateral variierender Dichtewerte anstelle der bisher verwendeten gemittelten Dichtewerte erwartet.

Der Beitrag der Vorwärtsmodellierung wird in verschiedenen Gebieten wie der Antarktis getestet (siehe Abbildung 3), da das Schema der Erweiterung hochauflösender globaler Schwerefeldmodelle mit Schwereinformationen aus Vorwärtsmodellierung für verschiedene Regionen unterschiedlich sein wird, je nach Verfügbarkeit und Qualität der dort vorliegenden terrestrischen Schwerefeldmessungen.

Am Ende des Projekts wird ein hochauflösendes topographisches Schwerefeldmodell vorliegen, das die räumliche Auflösung der neuesten globalen Schwerefeldmodelle auf  ca. 2 km erhöhen wird. Ein solches hochauflösendes globales Modell wird aus Kugelfunktions- oder elliptischen Koeffizienten bis Grad/Ordnung 10800 bestehen. Dies würde eine genauere Höhenbezugsfläche für globale vertikale Daten und eine Grundlage für eine bessere geophysikalische Modellierung insbesondere in Regionen mit Dichteunterbrechungen erwarten lassen.

Das Projekt wird für drei Jahre (2022-2025) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Förderkennzeichen 505165206) gefördert.

Literatur:

Abrykosov, O., Ince, E.S, Förste, C., Flechtner, F. (2019): Rock-Ocean-Lake-Ice topographic gravity field model (ROLI model) expanded up to degree 3660. GFZ Data Services. https://doi.org/10.5880/ICGEM.2019.011

Abrykosov, O, Ince, E.S., Förste, C. (2024): GDEMM2024: 30 Arcsec Global Digital Elevation Merged Model 2024, a suite for Earth relief. GFZ Data Services. https://doi.org/10.5880/GFZ.1.2.2024.002.

Ince, E.S., Abrykosov, O., Förste, C. et al. Forward Gravity Modelling to Augment High-Resolution Combined Gravity Field Models. Surv Geophys 41, 767–804 (2020). https://doi.org/10.1007/s10712-020-09590-9

Ince, E. S., Förste, C., Abrykosov, O., Flechtner, F. (2022): Topographic Gravity Field Modelling for Improving High-Resolution Global Gravity Field Models. - In: Freymueller, J. T., Sánchez, L. (Eds.), Geodesy for a Sustainable Earth, (International Association of Geodesy Symposia ; 154), Cham : Springer, 203-212.
https://doi.org/10.1007/1345_2022_154

Sheng, M. B., Shaw, C., Vaníček, P., Kingdon, R. W., Santos, M., & Foroughi, I. (2019). Formulation and validation of a global laterally varying topographical density model. Tectonophysics, 762, 45-60.