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Vulkan-Monitoring mittels GPS unter Berücksichtigung vulkantypischer Einflussfaktoren am Fallbeispiel Merapi.

Vulkan-Monitoring mittels GPS unter Berücksichtigung vulkantypischer Einflussfaktoren am Fallbeispiel Merapi.
Typ:Diplomarbeit
Datum:2004
Betreuer:

Aufgabensteller:
Prof. Dr.-Ing. B. Heck
Betreuer:
Dr.-Ing. M. Westerhaus
Dipl.-Ing. B. Snitil
Dr.-Ing. K. Seitz
Dipl.-Ing. M. Mayer

Bearbeiter:Vorwerk, M.
Zusatzfeld:

IBNr: 888

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit GPS-Messungen, die im Rahmen des deutsch-indonesischen Forschungsprojektes MERAPI am Hochrisikovulkan Merapi (Java, Indonesien) durchgeführt wurden. Der Merapi ist einer der aktivsten Vulkane weltweit und befindet sich an der Subduktionszone zwischen der eurasischen und indo-australischen Platte.

 

Neben einer Vielzahl geologischer und geophysikalischer Experimente wurde unter anderem versucht, Deformationen des Vulkangebäudes mit Hilfe von vier quasi-kontinuierlichen GPS-Stationen an den Flanken des Vulkans zu erfassen. Die GPS-Beobachtungen aus der Anfangszeit des Projektes (1995 – 1999) konnten jedoch die dafür nötigen Anforderungen nicht erfüllen. Ihre Genauigkeiten lagen in einer Größenordnung, die eine Aufschlüsselung zwischen möglichen Deformationen und Messungenauigkeiten nicht gestattete.

 

In dieser Arbeit wurden Daten aus den Jahren 2000 bis 2002 untersucht. Ziel war es, die Auswertestrategie für GPS-Beobachtungen an Vulkanen zu überprüfen und zu optimieren und, wenn es die Datenqualität erlaubt, den möglichen Einfluss vulkanischer Gase auf die Strahlausbreitung in der Troposphäre zu untersuchen.

 

Zur Auswertung der Daten wurde die Software GPSurvey 2.35 (Trimble Navigation Ltd.) verwendet. In einem ersten Schritt wurden die unabhängigen Basislinien zwischen der Referenzstation des Merapi Volcano Observatory in Yogyakarta und den vier Beobachtungsstationen am Berg prozessiert. Die Basislinienlängen lagen bei ca. 30 km. Ebenfalls berechnet wurden die kurzen Basislinien zwischen den Bergstationen. Die Entfernungen lagen hier zwischen 2.5 km und 5 km. Hierbei wurde jeweils eine Station mit ihren mittleren Koordinaten fixiert, die aus den Kalkulationen der langen Basislinien hervorgingen. In beiden Fällen ist die Berechnung der Basislinien mit präzisen Bahndaten, dem Saastamoinen-Troposphärenmodell mit Neill ‚Mapping Function’ und der Standard-Elevationsmaske von 15° sowie zusätzlich einer Maske von 35° erfolgt.

 

Es zeigte sich, dass die Auswerteergebnisse nicht ausreichen, um Deformationen im cm-Bereich zu erfassen. Die Resultate der langen Basislinien zur Referenzstation Yogyakarta variieren für die Lage und die Basislänge in der Größenordnung des Dezimeters, für die Höhenkomponente sogar noch stärker. Die Auswerteergebnisse der kurzen Basislinien waren zwar erwartungsgemäß deutlich besser, da u.a. troposphärische Effekte dabei einen wesentlich geringeren Einfluss haben; sie blieben aber dennoch hinter den Positionierungsmöglichkeiten mit differentiellem GPS weit zurück. Die Lagekoordinaten und Basislinienlängen variierten im Bereich von 3 cm, die Höhenkomponente bis zu 20 cm. Scheinbare zeitliche Änderungen in der Basislinie zwischen einem Stationspaar konnten durch die anderen Beobachtungsstationen nicht bestätigt werden, so dass Aussagen über tatsächliche Bewegungen nicht möglich waren. Dies lässt einerseits den Schluss zu, dass eventuelle Deformationen des Vulkangebäudes in den Jahren 2000 – 2002 eine Größenordnung von einigen Zentimetern nicht überschritten haben. Andererseits muss man konstatieren, dass die vorhandene GPS-Konfiguration die angestrebte Sensitivität für Deformationen im cm-Bereich nicht erreicht.

 

Diese Resultate reichten nicht aus, um den Einfluss vulkanischer Gase auf die Signalausbreitung zu modellieren. Daher wurde im Rahmen der Arbeit eine Qualitätskontrolle der an den Beobachtungsstationen ankommenden Signale durchgeführt, um mögliche Probleme zu erkennen, durch die die Genauigkeit der GPS-Positionierung beeinflusst wird. Dies erfolgte mit dem Programm TEQC (Translation, Editing and Quality Checking), entwickelt von University Navstar Consortium (UNAVCO). Das Ergebnis einer solchen Qualitätskontrolle beinhaltet unter anderem das Signal/Rauschverhältnis für L1 und L2. Hierbei stellte sich heraus, dass das an der Referenzstation ankommende Signal durchweg von guter Qualität war, an den einzelnen Beobachtungsstationen jedoch sehr starke Störungen auftraten. Diese konnten aber aufgrund unzulänglicher zeitlicher Auflösung der Messreihen nicht klar interpretiert werden. Auch ließ sich kein Zusammenhang zwischen schlechten Auswerteergebnissen mittels GPSurvey 2.35 und der Signalqualität der jeweiligen Beobachtungen herstellen.