Investigations of surface loads of the Earth - geometrical deformations and gravity changes

Abstract

This thesis addresses deformations and gravity changes due to surface loads like the ocean tides, hydrology and glaciers. These phenomena are discussed in light of height and gravity observations collected by GPS and gravimeters of the FG5 and LaCoste & Romberg types. A surface load is here defined as a mass resting at the surface of the Earth. Body loading due to the Earth tides is consequently outside the scope of this thesis. The analysis is further restricted to address elastic processes only, i.e. loading effects in phase with the time history of the load. Viscoelastic processes like glacial isostatic adjustment are not discussed in depth. A significant part of this thesis addresses ocean tide loading (OTL). The phenomenon is theoretically discussed and observational results are provided. A suite of global OTL models was compared to gravity and GPS time series at coastal stations in Norway. It was found that global models are in phase with the observations and only millimeter discrepancies exist between the magnitude of GPS observations and OTL models. When it comes to the magnitude of the gravity signals, best agreement was obtained by OTL corrections calculated from FES2004 and NAO99b. However, at several stations we observe periodic residuals of nearly 10 μgal amplitude. To reduce the weighted standard deviation of the gravity time series, an alternative method was developed for calculating OTL corrections. The method was based on locally observed ocean tides and a global OTL model for vertical displacement. Compared to global models, the alternative method reduced the RMS by up to 40 %. The gravitational effect of hydrology was investigated in Trysil. Trysil is located inland Norway and our observations have revealed seasonal gravity changes of nearly 20 μgal. A hydrological model was developed from snow depth readings, well readings, and precipitation data. Compared to a three year long gravity time series, the model explained 64 % of the variation and reduced the amplitude of the seasonal signal strongly. More than 90 % of the gravity signal from the hydrology was formed by the snow cover within 200 m of the gravity laboratory. The thesis also presents a high accuracy gravity network for Norway. The network includes 16 stations with gravity estimates accurate to 3-4 μgal. Compared to previously published values, this is an improvement of one order of magnitude. The gravity values will change by up to 1 μgal annually due to glacial isostatic adjustment. Finally, attempts were made to use ground based relative gravity observations to measure the mass balance of a glacier. Preliminary results show that the method can resolve the mass balance within 10 % of the loss determined by conventional mass balance measurements. It still remains to fully validate the methodology in field.

Denne avhandlingen tar for seg jordskorpedeformasjoner og endringer i jordens tyngdefelt som skyldes belastningsfenomener på jordens overflate. Belastninger kan oppstå som et resultat av for eksempel tidevann, snø, grunnvann og overflatevann etter et kraftig regnfall. Belastningsfenomenene er diskutert i lys av observasjoner samlet ved hjelp av GPS og gravimetre av FG5 og LaCoste & Romberg typen. Avhandlingen begrenser seg til belastninger som finner sted på jordens overflate og kun elastiske prosesser. Tidejordsfenomenet og viskoelastisk landhevning faller derfor utenfor avhandlingens tematiske avgrensning. En vesentlig del av avhandlingen fokuserer på fenomenet ocean tide loading (OTL). For en samling stasjoner langs norskekysten er tidsserier av tyngde og GPS observasjoner sammenliknet med OTL signaler beregnet ut fra fritt tilgjengelige globale tidevannsmodeller. Tidsforløpet til modellene (fasen) er i godt samsvar med observasjonene. Det samme gjelder størrelsen til modellerte vertikale deformasjoner. Derimot underestimerer modellene OTL signalene i tyngdeobservasjonene på flere stasjoner. Resultatet er periodiske residualer med oppmot 10 μgal amplitude. Alt i alt fungerer modellene FES2004 og NAO99b best langs norskekysten. Likevel etterlyses bedre globale OTL modeller for tyngde i dette området. En alternativ metode for å beregne endringer i tyngdekraften som skyldes OTL har blitt utviklet. Metoden kombinerer lokalt observert tidevann med en global OTL modell for vertikale deformasjoner. Sammenliknet med de beste globale OTL modellene, gir denne tilnærmingen opptil 40 % lavere RMS. Hydrologisk innvirkning på tyngdemålinger ble undersøkt i Trysil. I Trysil observerer vi at tyngdekraften varierer med nesten 20 μgal gjennom et år. Dette skyldes i hovedsak varierende hydrologi. En hydrologisk modell basert på observerte snødybder, grunnvannstand og nedbørsmålinger ble utviklet. Modellen forklarer 64 % av tyngdemålingenes variasjon. Det største bidraget kommer fra snødekket innenfor 200 m fra tyngdeobservatoriet. Alene utgjør denne komponenten 90 %. Avhandlingen presenterer også et førsteordens nettverk av tyngdestasjoner i Norge. Nettverket består av 16 stasjoner med tyngdeverdier av nøyaktighet 3 til 4 μgal. Dette er en størrelsesorden bedre enn tidligere publiserte verdier for området. Det forventes at tyngdeverdiene vil endre seg med oppimot 1 μgal årlig på grunn av landhevning. Til sist diskuteres forsøk på å måle isbreers massebalanse ved hjelp av et bakkebasert relativgravimeter (LaCoste & Romberg). Det gjenstår fremdeles å teste metoden fullt ut i felt. Foreløpige resultater tyder likevel på at den utviklede metoden stemmer innenfor 10 % med tradisjonelle massebalansemålinger.