Satellite gravimetry: Methods, products, applications, and future trends

Abstract

The gravitational field of the Earth reflects its inner structure and dynamics. Satellite gravimetry techniques have been used to observe the Earth's external gravitational field and its temporal variations on a global scale. The global gravitational models from satellite gravimetry, typically in terms of spherical harmonic coefficients, are crucial in geodetic, geodynamic, geophysical, hydrological, glaciological, oceanographic, and many other geoscience applications. In this paper, we provide a comprehensive overview of theoretical definitions describing relationships between the spherical harmonic coefficients and different satellite gravimetry observables such as orbital perturbations in terms of satellite positions, velocities, and accelerations; satellite-to-satellite range rates; and gravitational gradients. Applications of the Earth's static global gravitational models are presented and discussed in the context of determination of the gravimetric geoid and physical heights, gravimetric and isostatic crustal thickness, bathymetric depths, glacier bedrock relief, sediment thickness, geostrophic and eddy currents, Earth's inertia tensor and dipole, precession and nutation parameters of the Earth's rotation, and prediction of the satellite orbital geometry. Furthermore, applications and advances of the Earth's time-variable gravitational models for monitoring of large earthquakes, hydrological mass transport, Earth's rotation parameters, and vertical crustal motions (due to the glacial isostatic adjustment and other phenomena) are presented. Finally, future trends in the satellite gravimetry are discussed.

Gravitační pole Země odráží její vnitřní strukturu a dynamiku. Techniky satelitní gravimetrie byly použity k pozorování vnějšího gravitačního pole Země a jeho časových variací v globálním měřítku. Globální gravitační modely ze satelitní gravimetrie, typicky z hlediska sférických harmonických koeficientů, jsou klíčové v geodetických, geodynamických, geofyzikálních, hydrologických, glaciologických, oceánografických a mnoha dalších geovědních aplikacích. V tomto článku poskytujeme komplexní přehled teoretických definic popisujících vztahy mezi sférickými harmonickými koeficienty a různými pozorovatelnými družicovými gravimetrickými veličinami, jako jsou orbitální poruchy ve smyslu poloh satelitů, rychlostí a zrychlení; sazby dosahu satelit-satelit; a gravitační gradienty. Aplikace statických globálních gravitačních modelů Země jsou prezentovány a diskutovány v kontextu určování gravimetrického geoidu a fyzických výšek, gravimetrické a izostatické tloušťky kůry, batymetrických hloubek, reliéfu ledovcového podloží, mocnosti sedimentů, geostrofických a vířivých proudů, tenzoru setrvačnosti Země a dipól, precesní a nutační parametry rotace Země a předpověď geometrie družice. Dále jsou prezentovány aplikace a pokroky časově proměnných gravitačních modelů Země pro sledování velkých zemětřesení, hydrologického transportu hmoty, parametrů rotace Země a vertikálních pohybů zemské kůry (v důsledku isostatické úpravy ledovce a dalších jevů). Nakonec jsou diskutovány budoucí trendy v satelitní gravimetrii.