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Abstract

Climate change is broadly discussed due to water level rise almost worldwide. Additionally, ocean-related risks driven by atmospheric dynamics are amplified, as tidal amplitudes in coastal areas and storm surges, which threaten coastal areas and the unique Wadden Sea in the German Bight. Investigations of the oceans in general and of the North Sea particularly are done by satellite technics as altimetry and the satellite mission GRACE-FO. Terrestrial geodetic measurements are needed for corrections and validation of the results. Several methods are in use in order to measure water level variations (tide gauges) and load related deformation (GNSS). Our key question is: Are accurate continuous gravimetric observations sensitive to non-tidal oceanic loading of the sea floor? For the first time, three spring-type gravimeters were installed on the island Helgoland in the North Sea, predominantly in winter season, to observe surrounding maximal water mass variations during the winter period 2018/2019. In spite of the non-linear instrumental drift, gravity variations exceeding 100 nm/s2* over periods of 1 – 3 days could significantly be separated. Partly they are assigned to water level variations due to storm events, e. g. Zeetje (1. 1. 2019) and Benjamin (8. 1. 2019), and wind directions, accordingly. A rough modelling of the estimated corresponding water mass load with maximum water level rise of 2 m in the German Bight agree with the observed attraction effects and with the vertical displacement observed in gravity and by GNSS. We conclude that we succeeded on the island Helgoland to measure gravimetrically the non-tidal mass variations and the related crustal deformation in the North Sea. It should be further continued during winter seasons. Even more appropriate may be the installation of an iGrav superconducting gravimeter benefitting from its small, linear instrumental drift. Finally, this research will contribute to tidal and non-tidal ocean mass variability models and will support the monthly modelling of the geopotential field from the satellite mission GRACE-FO, where the so-called de-aliasing products for short-term variations in atmosphere and ocean are needed.

Der Klimawandel wird mit Blick auf den weltweiten Meeresanstieg viel diskutiert. Zusätzlich werden Ozean-bezogene, durch die Atmosphärendynamik angetriebene Risiken verstärkt, das sind u. a. Die Gezeitenamplituden in Küstenregionen und Sturmfluten, die die Küsten und das einzigartige Wattenmeer in der Deutschen Bucht bedrohen. Die geodätische Erforschung der Ozeane allgemein und der Nordsee im Besonderen wird mit Altimetrie und der Satellitenmission GRACE-FO realisiert. Terrestrische geodä­tische Messungen werden zur Bereitstellung von Korrektionen und zur Validierung der Resultate benötigt. Diverse Methoden finden Anwendung zur Messung von Wasserspiegelvariationen (Pegel) sowie auflastinduzierten Deformationen (GNSS). Die Schlüsselfrage ist: Sind präzise kontinuierliche gravimetrische Beobachtungen sensitiv auf nicht gezeitenbedingte Auflasten des Ozeans auf den Meeresboden? Erstmalig wurden drei Federgravimeter in der Nordsee, auf der Insel Helgoland, installiert, um vorwiegend in den Wintermonaten 2018/2019 die Wirkung der umgebenden maximalen Wassermassenvariationen zu erfassen. Trotz der nichtlinearen instrumentellen Drift konnten Schwerevariationen von über 100 nm/s 2 * über Zeiträume von 1 – 3 Tagen signifikant separiert werden. Teilweise stehen sie im Zusammenhang mit windgetriebenen Wasserstandsänderungen, z. B. die Stürme Zeetje (1. 1. 2019) und Benjamin (8. 1. 2019), und den entsprechenden Windrichtungen. Ein einfaches, genähertes Modell der aus maximalem Wasserstandsanstieg von 2 m in der Deutschen Bucht geschätzten Wassermassenauflast stimmt bereits mit dem Attraktionseffekt und der vertikalen Bodenbewegung überein, wie sie in Schwere und mit GNSS beobachtet wurden. Das Fazit ist, dass es auf Helgoland gelungen ist, die nicht gezeitenbedingte Massenvariationen in der Nordsee und die damit einhergehende Krustendeformation gravimetrisch zu messen. Die Fortsetzung der Registrierungen in den Sturmsaisons ist dringend zu empfehlen. Ein iGrav-Superconducting-Gravimeter, das eine lineare, kleine instrumentelle Drift gewährleistet, wird für diese Aufgabe noch geeigneter sein. Schließlich wird dieses Experiment zu Ozeanmodellen mit gezeiten- und nicht gezeitenbedingten Varia­tionen sowie zu Reduktionsmodellen durch von der Atmosphäre bewirkte Effekte in Schwerefeldvariationen beitragen, welche aus der Satellitenmission GRACE-FO abgeleitet werden.