Chalmers utvärderar nya metoder för att mäta havsnivån med GPS-signaler

Forskare vid Chalmers har studerat nya mätmetoder för att mäta havsnivån – med hjälp av radiosignaler från satelliter. Havsnivån och dess förändringar kan dessutom lätt mätas även med befintlig GPS-utrustning som redan finns i hela världen, visar forskarna.

Mätningar av havsnivån blir allt viktigare i klimatforskningen, och en ökande medelhavsnivå är en av klimatförändringarnas mest tydliga konsekvenser.  Forskare vid Chalmers har studerat nya metoder för att mäta havsnivån, som kan bli viktiga redskap för att testa klimatmodeller och upptäcka hur havsnivån längs världens kuster påverkas av klimatförändringar.

Johan Löfgren och Rüdiger Haas, forskare vid Chalmers Institution för rymd- och geovetenskap, har utvecklat och testat ett instrument som mäter vattenståndet med hjälp av radiosignaler från satellitnavigationssystem – en så kallad GNSS-mareograf (GNSS står för Global Navigation Satellite System).

– Medelvattennivån i världshaven ökar på grund av klimatförändringarna. Men ändringen i vattennivå varierar beroende på var man är i världen. Vi vill mäta havsnivån i detalj för att förstå hur kustsamhällen kan påverkas i framtiden, säger Rüdiger Haas.

Instrumentet använder radiosignaler från satelliter i omloppsbana kring jorden, som ingår i satellitnavigationssystem som GPS och Glonass (den ryska motsvarigheten till GPS).

– Vi mäter havsnivån med samma radiosignaler som används i satellitnavigeringssystem i bilar och mobiltelefoner. När satelliterna rör sig över himlen ”ser” instrumentet satelliternas signaler – både de direkta signalerna och de signaler som har reflekteras i vattenytan, säger Johan Löfgren.

Två antenner, båda täckta av vita kupor, mäter signalerna som kommer direkt från satelliterna och de som har reflekterats i havsytan. Genom att analysera signalerna tillsammans kan havsnivån och dess variationer mätas, upp till 20 gånger per sekund. Mätningarna är rika på fysikaliska fenomen som tidvatten (som beror främst på månens och solens dragningskraft), vädervariationer (hög- och lågtryck) och klimatpåverkan. Genom avancerad dataanalys kan dessa olika signaler studeras.

GNSS-mareografen har fördelen att man samtidigt och på samma plats kan mäta förändringar hos både hav och land. Det gör att man bättre kan ta hänsyn till landets rörelser, till exempel landhöjning eller i samband med jordskalv.

– Nu kan vi samtidigt mäta vattennivån både relativt kusten och relativt jordens centrum, vilket betyder att vi tydligt kan skilja på vattennivåändring och landrörelse, säger Johan Löfgren.

I sommar byggs mätstationen vid Onsala rymdobservatorium ut i samarbete med SMHI. GNSS-mareografen kommer att kompletteras med andra högprecisionsinstrument.

– Den nya stationen kommer att ingå i ett observationsnät av liknande stationer längs med Sveriges kust som ska bevaka till och med millimeterstora förändringar i vattenståndet under lång tid framöver, säger Gunnar Elgered, professor vid Institutionen för rymd- och geovetenskap vid Chalmers.

Forskarna har dessutom visat hur befintliga kustnära GNSS-stationer, som framför allt mäter landrörelser, nu även kan bevaka havets förändringar.

– Vi har framgångsrikt testat en metod där bara en av antennerna används för att ta emot radiosignalerna. Det betyder att kustnära GNSS-stationer – det finns hundratals över hela världen – också kan användas för att mäta havsnivån, säger Johan Löfgren.

För västsvenska medier:

Mareografen visas för allmänheten på söndag den 25 maj, då Onsala rymdobservatorium har öppet på Mors dag för sjätte året i rad. Läs mer här.

Bildtext: Panoramabild från GNSS-mareografstationen. När satelliter passerar på himlen tar GNSS-mareografen emot både de direkta signalerna och de signaler som har reflekterats i vattenytan och kan då mäta havsnivån. Foto: Johan Löfgren

Fakta om satellitnavigationssystem

Det finns flera system bestående av satelliter i omloppsbana på cirka 20 000 kilometer ovan jordytan som kontinuerligt skickar ut radiosignaler. Signalerna kan tas emot av annan utrustning, till exempel en mobiltelefon eller en bilnavigator, som kan räkna ut sin position i förhållande till satelliterna. Systemen kallas kollektivt GNSS (Global Navigation Satellite Systems; globala satellitnavigationssystem). GNSS-mareografen vid Onsala rymdobservatorium använder idag signaler från det amerikanska systemet GPS och det ryska systemet Glonass. Andra system som i framtiden kommer att inkluderas är de två nya systemen Beidou, som utvecklas av Kina, och Galileo, som utvecklas av Europa.

Fakta om forskningen

Forskarna beskriver tekniken i två nya vetenskapliga artiklar:

Sea level time series and ocean tide analysis from multipath signals at five GPS sites in different parts of the world

och Sea level measurements using multi-frequency GPS and GLONASS observations 

Fakta om Onsala rymdobservatorium

Onsala rymdobservatorium är Sveriges nationella anläggning för radioastronomi. Observatoriet förser forskare med utrustning för studier av jorden och resten av universum. I Onsala, 45 km söder om Göteborg, drivs två radioteleskop och en station i teleskopnätverket LOFAR samt utrustning för GNSS, havsnivåmätningar, gravimetri, seismologi och atmosfärsforkning. Observatoriet medverkar även i flera internationella projekt. Institutionen för rymd- och geovetenskap på Chalmers tekniska högskola är värd för observatoriet. Verksamheten drivs på uppdrag av Vetenskapsrådet.

Kontakter:

Robert Cumming, astronom och informatör, Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, 031-772 5500, 070-493 31 14, robert.cumming@chalmers.se

Johan S. Löfgren, forskare, Institutionen för rymd- och geovetenskap, Chalmers, 031-772 5500 eller 070-203 9039, johan.lofgren @chalmers.se

Rüdiger Haas, professor i rymdgeodesi, Institutionen för rymd- och geovetenskap, Chalmers, 031-772 5530, rudiger.haas@chalmers.se