Antarktika'da Küresel İklim Değişikliği İzleme için GNSS İstasyon Tasarımı: TUR1 ve TUR2 GNSS İstasyonlarının 4. Ulusal Antarktika Bilim Seferi’nde Antarktika Horseshoe Adası'na Kurulumu

Year 2021, Volume: 21 Issue: 6, 1353 - 1365, 31.12.2021

Mahmut Oğuz Selbesoğlu Hasan Hakan Yavaşoğlu Mustafa Fahri Karabulut Hüseyin Ayhan Yavaşoğlu Huseyin Gunhan Ozcan Özgün Oktar Burcu Özsoy Himmet Karaman Mustafa Ersel Kamaşak Vahap Engin Gülal

https://doi.org/10.35414/akufemubid.946282

Abstract

Son yıllarda uzay tabanlı konumlama sistemleri, GNSS Meteorolojisi ve GNSS Reflektometresi teknikleri kullanılarak gözlemlenen atmosferik su buharı, deniz, buz ve kar seviyeleri gibi önemli parametrelerle küresel iklim değişikliğinin izlenmesinde etkili bir destekleyici araç haline gelmiştir. Küresel ölçekte tüm bölgelerden daha hızlı ısınan Antarktika'da iklim değişikliğini incelemek, gelecekteki iklim değişikliğini daha doğru tahmin etmek için çok önemlidir. Dünya'nın iklim değişikliği etkilerinin izlenebilmesi amacıyla, 118Y322 No’lu TÜBİTAK projesi kapsamında GNSS Meteorolojisi ve GNSS Reflektometresi teknikleri ile 24 Şubat 2020 tarihinden itibaren Antarktika’da atmosferik su buharı değişimleri, kar derinliği ve buz kalınlığı değişimleri gözlemlenmektedir. Bu çalışmada, Troposfer ve Deniz Seviyesi Gözlem İstasyonu (TUR1) ile Troposfer ve Kar / Buz Seviyesi Gözlem İstasyonunun (TUR2) tasarım çalışmaları ve 4. Ulusal Antarktika Bilim Seferi’nde Antarktika Horseshoe Adası’na kurulum aşamaları anlatılmıştır. Bu çalışmalar, meteorolojik koşullar, şebekeden bağımsız ve batarya ile bütünleşik enerji sisteminin en sağlıklı şekilde güneş ve rüzgâr enerjisinden beslenmesi ve bölgede oluşabilecek buzul oluşumu ve kayaç parçalanması gibi jeolojik parametreler de göz önüne alınarak yapılmıştır.

Keywords

GNSS Meteorolojisi, GNSS-R, Antarktika, Troposfer, Buzul, Deniz Seviyesi, Su Buharı

Supporting Institution

TUBİTAK

Project Number

118Y322

Thanks

Yazarlar, T.C. Cumhurbaşkanlığı himayelerinde, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı uhdesinde, TÜBİTAK MAM KARE koordinasyonunda düzenlenen Ulusal Antarktika Bilim Seferine teşekkürlerini sunar. Yazarlar, cihazların temini ve tasarımı aşamalarında destekleri için GNSS Harita Tek. Dan. San. Ve Tic. A.Ş’ ne, Devimsel Elektronik, Mekatronik ve Bilişim Teknolojileri Sanayi ve Ticaret Ltd. Şti.’ ne ve Mimar İbrahim Direk’ e teşekkür ederler. Çizimler serbest lisanslı yazılımlarla üretilmiş olup akademik çalışmalara ücretsiz destek vermektedir.

GNSS Station Design for Global Climate Change Monitoring in Antarctica: Installation of TUR1 and TUR2 GNSS Stations on Horseshoe Island in Antarctica During the 4th Turkish Antarctic Science Expedition

Abstract

In recent years, space-based positioning systems have become an effective supporting tool for monitoring global climate change by important parameters such as atmospheric water vapor, sea, ice and snow levels observed by using GNSS Meteorology and GNSS Reflectometry techniques. Studying climate change in Antarctica, which is warming faster than all of the regions on a global scale, is very important to predict future climate change more accurately. In order to monitor climate change effects of the Earth, tropospheric water vapor variations, snow depth and ice thickness changes have been observing in Antarctica since 24 February 2020 by means of GNSS Meteorology and GNSS Reflectometry techniques within the scope of the TUBITAK Project No. 118Y322 In this study, designing studies of Troposphere and Sea Level Observation Station (TUR1) and Troposphere and Snow / Ice Level Observation Station (TUR2) and installation steps to Horseshoe Island in Antarctica during the 4th National Antarctic Science Expedition are explained. These studies was carried out by taking into account the meteorological conditions, the healthiest feeding of the off grid battery integrated energy system from solar and wind energy and geological parameters such as glacial formation and rock fragmentation that may occur in the region.

Keywords

GNSS Meteorology, GNSS-R, Antarctica, Troposphere, Glacier, Sea level, Water Vapor

Project Number

118Y322

References

• Beşel, C. ve Kayıkçı, E., T., 2020. Türkiye denizlerinde GNSS reflektometre tekniği ile deniz seviyesi değişiminin araştırılması. Jeodezi ve Jeoinformasyon Dergisi, 8, 1, 1-17.
• Bevis, M., Businger, S., Herring, T. A., Rocken, C., Anthes, R. A. and Ware, R. H., 1992. GPS meteorology: Remote sensing of atmospheric water vapor using the Global Positioning System. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 97(D14), 15787-15801.
• Boehm, J., Werl, B. and Schuh, H., 2006. Troposphere mapping functions for GPS and very long baseline interferometry from European Centre for Medium‐Range Weather Forecasts operational analysis data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 111(B2).
• Dach, R., S. Lutz, P. Walser, P. Fridez (Eds); 2015: Bernese GNSS Software Version 5.2. User manual. Astronomical Institute, University of Bern, Bern Open Publishing. DOI: 10.7892/boris.72297; ISBN: 978-3-906813-05-9.
• D’Orazio, M., Di Perna, C. and Di Giuseppe, E., 2013. Performance assessment of different roof integrated photovoltaic modules under Mediterranean Climate. Energy Procedia, 42, 183-192.
• Jayachandran, P., Hosokawa, K., Shiokawa, K., Otsuka, Y., Watson, C., Mushini, S., MacDougall, J.W., Prikryl, P., Chadwick, R. and Kelly, T. 2012. GPS total electron content variations associated with poleward moving Sun‐aligned arcs. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 117(A5).
• King, M. A., Bevis, M., Wilson, T., Johns, B. and Blume, F., 2012. Monument-antenna effects on GPS coordinate time series with application to vertical rates in Antarctica. Journal of Geodesy, 86(1), 53-63. Koulali, A. and Clarke, P., 2020. Effect of antenna snow intrusion on vertical GPS position time series in Antarctica. Journal of Geodesy, 94(10), 1-11.
• Larson, K. M., Löfgren, J. S. and Haas, R., 2013. Coastal sea level measurements using a single geodetic GPS receiver. Advances in Space Research, 51(8), 1301-1310.
• Lee, C. M., Kuo, C. Y., Sun, J., Tseng, T. P., Chen, K. H., Lan, W. H., Shum, C. K., Ali, T., Ching, K. E., Chu, P. and Jia, Y., 2019. Evaluation and improvement of coastal GNSS reflectometry sea level variations from existing GNSS stations in Taiwan. Advances in Space Research, 63(3), 1280-1288.
• Li, F., Zhang, Q., Zhang, S., Lei, J. and Li, W., 2020. Evaluation of spatio-temporal characteristics of different zenith tropospheric delay models in Antarctica. Radio Science, 55(5), 1-16.
• Li, M., Xu, T., Lu, B., & He, K., 2019. Multi-GNSS precise orbit positioning for airborne gravimetry over Antarctica. GPS solutions, 23(2), 1-14.
• Li, H., Wang, Z., Cui, X., Guo, J., Li, L. and Sun, B., 2020. The effect of the second-order ionospheric term on GPS positioning in Antarctica. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 52(1), 210-221.
• Martin-Neira, M., 1993. A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry. ESA journal, 17(4), 331-355.
• Ozcan, H. G., Gunerhan, H., Yildirim, N. and Hepbasli, A., 2019. A comprehensive evaluation of PV electricity production methods and life cycle energy-cost assessment of a particular system. Journal of Cleaner Production, 238, 117883.
• Pinat, E., Defraigne, P., Bergeot, N., Chevalier, J.-M., & Bertrand, B., 2021. Long-Term Snow Height Variations in Antarctica from GNSS Interferometric Reflectometry. Remote Sensing, 13(6), 1164.
• Richter, A., Popov, S. V., Fritsche, M., Lukin, V. V., Matveev, A. Y., Ekaykin, A. A., Lipenkov, V. Y., Fedorov, D. V., Eberlein, L., Schröder, L., Ewert, H., Horwath, M., and Dietrich, R., 2014. Height changes over subglacial Lake Vostok, East Antarctica: insights from GNSS observations. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 119(11), 2460-2480.
• Santamaría-Gómez, A. and Watson, C., 2017. Remote leveling of tide gauges using GNSS reflectometry: case study at Spring Bay, Australia. GPS solutions, 21(2), 451-459.
• Saastamoinen, J., 1972. Contributions to the theory of atmospheric refraction. Bulletin Géodésique (1946-1975), 105(1), 279-298.
• Selbesoglu, M. O. (2017). Evaluation of Precipitable Water Vapor Derived From Global Navigation Satellite System Observations based on Troposphere Model. Feb-Fresenius Environ. Bull, 26, 3924-3929.
• Selbesoglu, M. O., Yavasoglu, H. H., Karabulut, M. F., Gulal, V. E., Karaman, H. and Kamasak, M. E., 2018. Gnss Meteorolojisi ve Reflektometresi Teknikleri ile Antarktika Bölgesinin Troposfer ve Kar Kalinliğinin izlenmesi, Deformasyonlarin Belirlenmesi. 2. Kutup Bilimleri Çalıştayı, 22-23, 12 - 13 Eylül, İstanbul.
• Selbesoglu, M. O., Yavasoglu, H. H., Karabulut, M. F., Gulal, V. E., Karaman, H. and Kamasak, M. E., 2019a. Gnss-Meteorolojisi ve Gnss-Reflektometresi Teknikleri ile Antarktika Bölgesinin Troposfer ve Kar Kalinliğinin İzlenmesi, Geliştirme Çalişmalari. 3. Ulusal Kutup Bilimleri Çalıştayı, 48-49, 5-6 Eylül, Ankara.
• Selbesoglu, M. O., Yavasoglu, H. H., Karabulut, M. F., Gulal, V. E., Karaman, H. and Kamasak, M. E., 2019b. Monitoring the water vapor, snow/ice and sea level changes in the Antarctica with GNSS Meteorology and GNSS Reflectometry Techniques. XXIX International Symposium On: “Modern Technologies, Education And Professional Practice In Geodesy And Related Fields, 21, 05 – 06 November, Istanbul.
• Selbesoglu, M. O., Yavasoglu, H. H., Karabulut, M. F., Gulal, V. E., Oktar, O., Ozsoy, B., Karaman, H. and Kamasak, M. E., 2020. Troposfer ve Deniz / Buz Seviyesi Reflektometresi Gözlem İstasyonlarinin 4. Türkiye Antarktik Bilim Seferi Kapsaminda Antarktika Horseshoe Adasi'na Kurulumu. 4. Ulusal Kutup Bilimleri Çalıştayı, 207-208, Online, 22-23 Ekim.
• Selbesoglu, M. O., Yavasoglu, H. H., Karabulut, M. F., Gulal, V. E., Karaman, H., Kamasak, M. E., Oktar, O., and Ozsoy, B., 2021. Ground-Based GNSS Meteorology and Reflectometry Studies on Horseshoe Island during the 4th National Antarctic Science Expedition of Turkey: Installation and configuration of sea/ice level and water vapor monitoring stations. EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-15952.
• Skoplaki, E. J. A. P. and Palyvos, J. A., 2009. Operating temperature of photovoltaic modules: A survey of pertinent correlations. Renewable energy, 34(1), 23-29.
• Slimani, M. E. A., Amirat, M., Kurucz, I., Bahria, S., Hamidat, A. and Chaouch, W. B., 2017. A detailed thermal-electrical model of three photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid air collectors and photovoltaic (PV) module: Comparative study under Algiers climatic conditions. Energy conversion and management, 133, 458-476.
• Tabibi, S., Geremia-Nievinski, F., Francis, O. and van Dam, T., 2020. Tidal analysis of GNSS reflectometry applied for coastal sea level sensing in Antarctica and Greenland. Remote sensing of environment, 248, 111959.
• Thomas, I. D., King, M. A., Bentley, M. J., Whitehouse, P. L., Penna, N. T., Williams, S. D., Riva, R.E.M., Lavallee, D.A., Clarke, P.J, King, E.C., Hindmarsh, R.C.A. and Kouvila, H., 2011. Widespread low rates of Antarctic glacial isostatic adjustment revealed by GPS observations. Geophysical research letters, 38(22).
• Wang, J., Wu, Z., Semmling, M., Zus, F., Gerland, S., Ramatschi, M., Ge, M., Wickert, J. and Schuh, H., 2019. Retrieving precipitable water vapor from shipborne multi‐GNSS observations. Geophysical research letters, 46(9), 5000-5008.
• Whitehouse, P. L., Bentley, M. J., Milne, G. A., King, M. A. and Thomas, I. D., 2012. A new glacial isostatic adjustment model for Antarctica: calibrated and tested using observations of relative sea-level change and present-day uplift rates. Geophysical Journal International, 190(3), 1464-1482.
• Wu, X., Heflin, M. B., Ivins, E. R. and Fukumori, I., 2006. Seasonal and interannual global surface mass variations from multisatellite geodetic data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 111(B9).
• Ye, L., Lay, T., Koper, K. D., Smalley Jr, R., Rivera, L., Bevis, M. G., Zakrajsek, A. F. and Teferle, F. N., 2014. Complementary slip distributions of the August 4, 2003 Mw 7.6 and November 17, 2013 Mw 7.8 South Scotia ridge earthquakes. Earth and Planetary Science Letters, 401, 215-226.
• 1-https://kare.mam.tubitak.gov.tr/sites/images/kare_mam/ulusal_kutup_bilim_programi.pdf, (18.02.2021)
• 2-https://blog.gezgin.gov.tr/?p=2002, (20.02.2021)
• 3-https://www.unavco.org/projects/project-support/polar/remote/remote.html, (21.02.2021)
• 4-https://meteonorm.com/en/, (22.02.2021)
• 5-https://www.prolectric.fr/micro-turbines/micro-turbine-forgen-v30-antarctique/, (22.02.2021)
• 6-https://www.istabreeze.com.tr/online/Ruzgar-Turbini/i500-12V-Ruzgar-Turbini-iSTA-BREEZE, (22.02.2021)
• 7-https://www.enerjipazar.com/solar-gunes-panelleri/perc-monokristal/190-watt-monokristal-gunes-paneli-5-busbar-perc-hucre/, (23.02.2021)
• 8-https://www.sharp.com.tr/cps/rde/xbcr/documents/documents/Marketing/Datasheet/1611_NQR256A_Mono_BackContact_Datasheet_TR.pdf, (23.02.2021)