GRACE TWANGS: Hochfrequente Störungen

Die Analyse konzentriert sich auf 'Twangs', kurzzeitige, hoch-amplitudige Signale in den 10 Hz Level 1A Akzelerometerdaten der GRACE-Mission. Diese Twangs treten simultan auf allen drei Achsen auf, wobei die größte Amplitude in der radialen Komponente mit bis zu 50 µm/s² gemessen wird. Ein Twang besteht aus zwei Hauptpeaks entgegengesetzter Orientierung, gefolgt von einem möglicherweise oszillierenden Abfall, falls das Amplitudenverhältnis der Peaks signifikant von 1 abweicht. Die Dauer der ersten beiden Peaks beträgt etwa eine halbe Sekunde. Basierend auf der Orientierung des ersten Peaks werden Twangs in positive und negative Typen unterteilt. Obwohl die Form eines Twangs von Fall zu Fall variieren kann (Amplitude, Oszillation), zeigen sie eine hohe Reproduzierbarkeit in Bezug auf Dauer und Periode, was ihre Überlagerung ermöglicht. Die geringe Abtastrate von 10 Hz in den Rohdaten erfordert eine Aufbereitung mittels eines Gaußschen Rekonstruktionsfilters auf 100 Hz zur zuverlässigen Detektion dieser kurzen Signale. Die geringe Abtastrate von 10 Hz in den Rohdaten erforderte eine Aufbereitung mittels eines Gaußschen Rekonstruktionsfilters auf 100 Hz, um diese kurzen Signale zuverlässig zu detektieren.

Zur Parametrisierung der Twangs wurde ein Modell entwickelt, das diese Signale anhand eines Satzes anpassbarer Parameter beschreibt. Die Methode der kleinsten Quadrate dient zur Optimierung der Parameteranpassung. Da die Periode der Oszillation vom Zeitraum der ersten beiden Peaks abweicht, besteht das Modell aus drei Teilen: Die Ableitung einer Gaußkurve modelliert die ersten beiden Peaks, eine doppelt gedämpfte Oszillation den möglichen oszillierenden Abfall. Ein kubisches Polynom verbindet diese beiden Teile stetig differenzierbar. Dieses Modell erlaubt die Untersuchung des Twang-Verhaltens anhand der Parameter in Abhängigkeit von Auftreten, geografischer Lage und Orbitalposition. Die Analyse zeigt, dass Twangs nicht zufällig auftreten, sondern strengen Mustern folgen, die mit Geografie, Jahreszeit, Lokalzeit und dem solaren Einfluss (β-prime-Winkel) korrelieren. Eine besonders starke Korrelation besteht zur terrestrischen langwelligen Strahlung (Infrarot).

Die Untersuchung ergab eine dominante Korrelation der Twang-Verteilung mit der terrestrischen langwelligen Strahlung. Die Anzahl und Energie der Twangs nimmt ab, wenn bestimmte GRACE-Oberflächen, wie die Nadir-Oberfläche, beleuchtet werden. Diese Beobachtung widerlegt die bisherige Hypothese, dass Twangs durch Mikroschwingungen der Nadir-Isolierfolie verursacht werden. Stattdessen wird die Hypothese aufgestellt, dass Twangs durch Entladungsereignisse aufgeladener Oberflächen entstehen, die durch die Umgebung des Raumfahrzeugs aufgeladen werden. Die Mehrzahl der Beobachtungen unterstützt die Entladungshypothese, während einige Beobachtungen die Mikroschwingungshypothese widerlegen. Der Einfluss der Twangs auf das von GRACE kartierte Schwerefeld ist ein wichtiger Aspekt der Studie. Obwohl ein direkter Zusammenhang noch nicht vollständig geklärt ist, wird die Möglichkeit einer Beeinträchtigung der Genauigkeit des Schwerefeldes durch die Twangs diskutiert.

Die Analyse der Twangs in den GRACE-Akzelerometerdaten ergab eine Einteilung in zwei Haupttypen: positive und negative Twangs, bestimmt durch die Orientierung ihres ersten Peaks. Ein Twang zeichnet sich durch zwei Hauptpeaks entgegengesetzter Orientierung aus, gefolgt von einem möglicherweise oszillierenden Abfall, dessen Ausprägung vom Amplitudenverhältnis der beiden Hauptpeaks abhängt. Die Dauer der ersten beiden Peaks liegt in der Größenordnung von einer halben Sekunde. Obwohl die Form der Twangs (Amplitude und Oszillation) von Fall zu Fall variieren kann, zeichnen sie sich durch eine bemerkenswerte Reproduzierbarkeit in Bezug auf Dauer und Periode aus. Diese Eigenschaft ermöglicht die Überlagerung mehrerer Twangs zur Verbesserung der Signalqualität und -auswertung. Die geringe Abtastrate der Rohdaten (10 Hz) erforderte die Anwendung eines Gaußschen Rekonstruktionsfilters zur Upsampling auf 100 Hz, um die kurzen Twang-Signale adäquat zu erfassen und zu analysieren.

Um die Twangs zu parametrisieren und ihr Verhalten zu untersuchen, wurde ein dreiteiliges Modell entwickelt. Dieses Modell nutzt die Methode der kleinsten Quadrate zur Anpassung an die gemessenen Daten. Der erste Teil des Modells verwendet die Ableitung einer Gaußkurve zur Beschreibung der ersten beiden Peaks eines Twangs, wobei das Vorzeichen der Ableitung den Typ (positiv oder negativ) bestimmt. Ein zweiter Teil modelliert den oft folgenden, gedämpften Oszillationsabfall des Signals. Ein kubisches Polynom verbindet diese beiden Teile, um eine stetige Differenzierbarkeit des Modells zu gewährleisten. Die Parameter dieses Modells ermöglichen die Untersuchung des Twang-Verhaltens in Bezug auf Zeitpunkt, geografische Lage und Orbitalposition. Die Verwendung dieses parametrischen Modells ist entscheidend, um die verschiedenen Eigenschaften von Twangs zu quantifizieren und zu vergleichen.

Das entwickelte dreiteilige Modell erlaubt die detaillierte Analyse des Twang-Verhaltens anhand der jeweiligen Parameter. Die Untersuchung zeigte, dass Twangs nicht zufällig verteilt sind, sondern räumliche und zeitliche Muster aufweisen, die mit geografischen Faktoren, Jahreszeiten, Lokalzeit und dem solaren Einfluss (β-prime-Winkel) korrelieren. Die Analyse enthüllte eine starke Korrelation zur terrestrischen langwelligen Strahlung (Infrarot), die als dominierender Faktor erscheint. Es wurde zudem festgestellt, dass die Anzahl und die Energie der Twangs abnehmen können, wenn bestimmte Oberflächen des GRACE-Satelliten, wie zum Beispiel die Nadir-Oberfläche, von direkter Sonnenstrahlung getroffen werden. Diese Erkenntnisse liefern wichtige Hinweise auf die möglichen Ursachen der Twangs und bilden die Grundlage für die Entwicklung von Hypothesen zu ihrem Ursprung. Die Präzision der Parameterbestimmung, insbesondere der Oszillationsbreite, hängt dabei stark von der Signalstärke ab, wobei höhere Amplituden eine genauere Bestimmung ermöglichen.

Die Analyse der Twang-Verteilung zeigt eine starke Korrelation zu verschiedenen Umweltfaktoren. Die geografische Verteilung der Twangs ist nicht zufällig, sondern weist deutliche Muster auf, die mit geographischer Lage, Jahreszeit, Lokalzeit und dem solaren Einfluss (β-prime-Winkel) zusammenhängen. Eine besonders dominante Korrelation besteht zur terrestrischen langwelligen Strahlung, also Infrarotstrahlung. Diese Korrelation scheint alle anderen beobachteten Muster zu überlagern. Interessanterweise nimmt die Gesamtzahl der Twangs ab oder ihre Energie wird deutlich geringer, wenn bestimmte Oberflächen des GRACE-Raumfahrzeugs, insbesondere die Nadir-Oberfläche, von Sonnenlicht bestrahlt werden. Diese Beobachtungen legen nahe, dass externe Faktoren einen erheblichen Einfluss auf das Auftreten und die Intensität der Twangs haben und somit eine wichtige Rolle bei der Klärung ihrer Ursachen spielen.

Die beobachteten Korrelationen führten zur Überprüfung der etablierten Hypothese, dass Twangs durch Mikroschwingungen der an der Nadir-Seite montierten Isolierfolie verursacht werden. Die vorliegende Arbeit postuliert eine alternative Hypothese: Der Ursprung der Twangs könnte in Entladungsereignissen von Oberflächen liegen, die durch die umgebende Raumfahrzeugumgebung aufgeladen werden. Während einige Beobachtungen beide Hypothesen unterstützen, sprechen die meisten Befunde eher für die Entladungshypothese. Einige Beobachtungen widersprechen sogar der Mikroschwingungshypothese. Die neue Hypothese basiert auf der Annahme, dass die Aufladung der Satellitenoberflächen durch das Plasma in der Erdumgebung erfolgt und diese Aufladung zu Entladungsereignissen führt, die sich in den Akzelerometerdaten als Twangs manifestieren. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um diese Hypothese zu validieren.

Ein zentrales Thema der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Twangs auf die Genauigkeit der vom GRACE-Satelliten ermittelten Schwerefeldmessungen. Die im Vorfeld der Mission simulierte Genauigkeit konnte bisher nicht erreicht werden, und die Twangs werden als mögliche Fehlerquelle betrachtet. Um den Einfluss der Twangs abzuschätzen, wurden modellbasierte Zeitreihen erstellt, die nur aus den modellierten Twangs bestehen. Diese wurden mit den Genauigkeitsmodellen der einzelnen Akzelerometerachsen verglichen, um eine mögliche Auswirkung auf das Schwerefeld zu ermitteln. Eine Reduktion der Twangs in den Daten (von ACC1A zu ACC1B) führte zu Veränderungen im Schwerefeld, jedoch konnte bisher keine eindeutige Verbesserung der Genauigkeit festgestellt werden. Die formalen Fehler der ACR1B- und ACC1B-Daten, berechnet vom GFZ, zeigen, dass der formale Fehler der ACR1B-Daten (nach der Twang-Reduktion) geringfügig über dem der ACC1B-Daten liegt. Eine sorgfältige Bewertung des Einflusses der Twang-Reduktion auf das Schwerefeld ist daher notwendig.

Die Ergebnisse der Studie führten zur Infragestellung der bestehenden Hypothese, die den Ursprung der Twangs auf Mikroschwingungen einer an der Nadir-Seite montierten Teflonfolie zurückführt. Die im Rahmen der Analyse beobachtete räumliche Verteilung der Twangs und ihr Verhalten sprechen gegen diese Hypothese. Stattdessen wird die Hypothese vorgeschlagen, dass die Twangs durch Entladungsereignisse aufgeladener Satellitenoberflächen verursacht werden. Diese Oberflächen werden durch das Plasma in der Erdumgebung aufgeladen. Obwohl einige Beobachtungen beide Hypothesen (Mikroschwingungen und Entladungen) stützen, unterstützen die meisten Daten die Entladungshypothese. Zukünftige Forschung muss sich auf die Verifizierung der Entladungshypothese konzentrieren und die genauen Mechanismen der Twang-Generierung weiter erforschen. Ein mathematisches Modell, welches die Entladungshypothese stützt, konnte im Rahmen dieser Studie noch nicht entwickelt werden. Die verbesserte Datenanalyse, insbesondere die Reduktion von Störsignalen, die keine Nettobeschleunigung verursachen, ist ein wichtiger Aspekt zukünftiger Arbeiten.