Ozeanische Anregung der Hintergrundeigenschwingungen der Erde

• Antragsteller: Dr. Rudolf Widmer-Schnidrig
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213078341

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projekts wurde an zwei Themen aus dem Bereich der Eigenschwingungsseismologie gearbeitet: Das Splitting der Mode 0S2 wurde anhand der Daten des Netzerks Supraleitender Gravimeter des Global Geodynamics Projects (GGP) untersucht, während das Splitting der Mode 2S1 anhand der Daten des Strainmeterarrays am BFO untersucht wurde. Hierzu wurde unter Verwendung von speziell an das Problem angepasster Fensterfunktionen, ein Resampling der Daten mit synthetischem Noise und eines Least-Squares-Fits ein Verfahren entwickelt, um robuste wie auch präzise Schätzungen von Frequenz und Gütefaktor der einzelnen Singlets der untersuchten Moden zu erhalten. Die gewonnenen Parameter können beim Erstellen zukünftiger 1D und 3D Erdmodelle als Zwangsbedingung dienen. Ein Anregungsmodell der Hintergrundeigenschwingungen wurde numerisch untersucht. Bisherige Modelle erklärten lediglich die Entstehung der sphäroidalen Hintergrundeigenschwingungen, beinhalten allerdings keine horizontalen Kräfte an der Erdoberfläche und können somit nicht die – bereits im Frequenzband zwischen 3 und 7 mHz nachgewiesenen – horizontalen Hintergrundeigenschwingungen anregen. Grundlage des Modells sind durch ozeanische Infraschwerewellen entstandene Druckkräfte, die an Flanken der Bathymetrie kleine horizontale Komponenten besitzen und über größere Bereiche aufintegriert die gesuchte Anregung bewerkstelligen könnten. Es wurde eine Softwarepaket zur Berechnung synthetischer Seismogramme von räumlich und zeitlich ausgedehnten Quellen entwickelt. Kernstück ist ein Modensummationscode, der sowohl die Analyse einzelner Moden, ausgewählter Wellentypen oder auch des vollständigen Seismogramms erlaubt, ohne Rechenzeit auf für die Untersuchung irrelevante Frequenzbereiche zu verschwenden. Die korrekte Funktion der Software wurde durch den Vergleich mit einem Referenzprogramm sichergestellt. Das anregende ozeanische Infraschwerewellenfeld wurde als ebene Welle angenähert. Dies ist gültig für Bereiche, in denen die Unebenheiten der Bathymetrie klein gegenüber der Wassertiefe sind. Bei ersten Untersuchungen zeigte sich jedoch, dass bei der Simulation der Anregung in solchen Bereichen Randeffekte bestehen, deren Auswirkungen den gesuchten Effekt vollständig maskieren können. Werden diese künstlich unterdrückt, so findet eine vergleichbare Anregung von Rayleigh- und Lovewellen statt. Dies entspricht den Beobachtungen. Um die reale Signifikanz der Randeffekte zu untersuchen, ist eine Ausweitung des Modells auf noch größere Bereiche notwendig. Dazu wäre es erforderlich, ein realistischeres Modell des ozeanischen Wellenfelds anzusetzen. Die Einbindung eines hydrodynamisch korrekten Infraschwerewellenfeldes steht aber noch aus.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2013. Signature of 3-D density structure in spectra of the spheroidal free oscillation 0S2 , Geophysical Journal International , 192(1), 285
  Häfner, R. & Widmer-Schnidrig, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/gji/ggs013)
• 2013. Signature of 3-D density structure in spectra of the spheroidal free oscillation 0S2, in: EGU General Assembly
  Häfner, R. & Widmer-Schnidrig, R.
  
• 2014. Beobachtung von 2S1 im Strainmeterspektrum des Tohoku-Oki Bebens (2011), in 40. Sitzung der AG Seismologie
  Häfner, R., Zürn, W., & Widmer-Schnidrig, R.
  
• 2015. Resonante Anregung seismischer Oberflächenwellen am Ozeanboden, in Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft
  Häfner, R. & Widmer-Schnidrig, R.
  
• 2015. Treatise on Geophysics, vol. 1, chap. Theory and Observations: Normal Mode and Surface Wave Observations, pp. 117– 167, Oxford: Elsevier, 2nd edn.
  Laske, G. & Widmer-Schnidrig, R.
  
• High-quality lowest-frequency normal mode strain observations at the Black Forest Observatory (SW-Germany) and comparison with horizontal broad-band seismometer data and synthetics. Geophysical Journal International, Volume 203, Issue 3, 1 December 2015, Pages 1787–1803
  Zürn, W., Ferreira, A., Widmer-Schnidrig, R., Lentas, K., Rivera, L., & Clévédé, E.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/gji/ggv381)