Europæisk satellit producerer det mest detaljerede billede endnu af Jordens gravitationsfelt

Subtile gravitationsforskelle på tværs af Jordens overflade bliver målt med hidtil uset nøjagtighed afGravity Field og Steady-StateELLERceanCirkulationOGxplorer(GLÆDE)satellit, bygget og drevet af European Space Agency. Dataene vil give forskere et stærkt grundlag for yderligere forskning i havcirkulation, havniveauændringer, strukturen og dynamikken i Jordens indre, samt bevægelser af Jordens tektoniske plader for bedre at forstå jordskælv og vulkaner.


GOCE blev lanceret den 17. marts 2009 fraPlesetsk Cosmodromei det nordlige Rusland. Det blev båret i kredsløb af et modificeret interkontinentalt ballistisk missil (nedlagt efter traktaten om strategiske våbenreduktion). Satellittens vigtigste dataindsamlingsinstrument kaldes agradiometer; den registrerer meget små variationer i tyngdekraften, når den bevæger sig over Jordens overflade. Der er også enGlobal Positioning System (GPS)modtager, der arbejder sammen med andre satellitter for at identificere ikke-gravitationskræfter, der kan påvirke GOCE, samt en laserreflektor, der gør det muligt at spore GOCE af jordbaserede lasere.

Animation af GOCE-geoiden. Kredit: ESA.
Denne animation af en roterende 'kartoffellignende' jord viser en meget præcis model af jordensgeoidoprettet ud fra data indhentet af GOCE og udgivet den 31. marts 2011 på det fjerde internationale GOCE-brugerværksted i München, Tyskland. Farver repræsenterer afvigelser i højden (–100 til +100 meter) fra en 'ideel' geoide. De blå farver repræsenterer lave værdier, og de røde/gule repræsenterer høje værdier. Denne geoide repræsenterer ikke faktiske overfladetræk på Jorden. I stedet er det en kompleks matematisk model bygget ud fra GOCE-data, der på en meget overdreven måde viser de relative forskelle i tyngdekraften over Jordens overflade. Det kan også opfattes som overfladen af ​​et 'ideelt' globalt hav kun formet af tyngdekraften uden påvirkning af tidevand og strømme.


https://www.youtube.com/watch?v=E4uaPR4D024

Videnskabeligt defineres en geoide som enækvipotential overflade, det vil sige en overflade, der altid er vinkelret på Jordens gravitationsfelt. En illustration i Wikipedia-indlægget om det, vist nedenfor, giver en beskrivelse på højt niveau: På figuren peger lodlinjen (en vægt, der er fastgjort til en snor) på hvert sted altid ned mod Jordens tyngdepunkt. Derfor er en hypotetisk overflade, der er vinkelret på den lodlinje, en lokal geoide overflade. Når de er matematisk syet sammen og kalibreret til et gennemsnitligt havniveau, danner disse vinkelrette overflader på mange steder rundt om Jorden en geoid, en model for, hvordan tyngdekraften ændrer sig over Jordens overflade.

Diagram, der illustrerer de grundlæggende koncepter for at skabe en geoide. Figuren viser: 1. hav; 2. en referenceellipsoide; 3. lokal lod; 4. kontinent; 5. geoide. Billedkredit: MesserWoland via Wikimedia Commons.

En geoids gravitationelle 'landskab' er udelukkende baseret på Jordens masse og morfologi. Hvis Jorden ikke roterede, hvis der ikke var nogen bevægelse af luft, hav eller land, og hvis Jordens indre var ensartet tæt, ville en geoide være en perfekt kugle. Men Jordens rotation får polarområderne til at flade lidt ned, hvilket gør Jorden til en ellipsoide i stedet for en kugle. Som følge heraf er tyngdekraften lidt stærkere ved polerne sammenlignet med ækvator. Mindre variationer i tyngdekraften på tværs af Jordens overflade er forårsaget af forskelle i tykkelsen og stendensiteten af ​​Jordens skorpe, såvel som tæthedsforskelle og konvektion dybt i Jordens indre.




Forskere kan bruge højopløsningsgeoiden baseret på GOCEs data som en gravitationsreferenceramme for andre jordvidenskabelige undersøgelser. Havcirkulation, havniveauændringer og smeltning af iskapper - vigtige indikatorer for klimaændringer - forårsager variationer i faktiske havoverfladehøjder, som kan måles af andre jordobservatorier. Disse observationer, kalibreret mod en god geoidemodel, vil i væsentlig grad hjælpe med en bedre forståelse af Jordens klimadynamik.

Tæthedsforskelle og konvektion i Jordens kappe påvirker også gravitationsfeltet. For eksempel viser GOCE-geoidmodellen en 'depression' i Det Indiske Ocean og 'plateauer' i det nordlige Atlanterhav og det vestlige Stillehav. Tyngdekraftsdata kunne vise signaturer af kraftige jordskælv og vulkaner, hvilket giver viden, der en dag kan hjælpe videnskabsmænd med at forudsige disse naturkatastrofer. Der er også vigtige applikationer inden for geoinformationssystemer, civilingeniør, kortlægning og udforskning, som vil blive forbedret af en mere raffineret geoidemodel.

Ingeniører, der arbejder på GOCE GOCE i renrummet på Plesetsk Cosmodrome i Rusland. Billedkredit: ESA.

Siden opsendelsen i marts 2009 har GOCE, bortset fra en kort periode til kontrol af rumfartøjssystemer og en midlertidig funktionsfejl, indsamlet data om vores planets gravitationsfelt, mens den kredser om Jorden i en omtrentlig nord-syd-retning (polær bane), kl. en højde på blot 250 kilometer. Dette er usædvanligt lavt for et lavt kredsløb om Jorden, men det er påkrævet, fordi de bedste gravitationsfeltmålinger opnås, når GOCE kommer så tæt som muligt på Jordens overflade, mens den stadig bevarer sin bane. Satellittens aerodynamiske form hjælper med at stabilisere den, når den skummer oven på atmosfærens kant, men uundgåeligt forårsager den fortærrede luft et træk på satellitten, der bremser den. For at opretholde sin kredsløbshastighed bruger GOCE derfor sit ionfremdrivningssystem til at give sig selv et lejlighedsvis boost.


Missionen skulle oprindeligt vare 20 måneder, den anslåede tid, det ville have taget for GOCE at bruge alt sit brændstof. Men et usædvanligt stille solcyklusminimum havde fortyndet den øvre atmosfære, hvilket reducerede modstanden på satellitten, hvilket gjorde den i stand til at spare brændstof. Fordi den har brændstofreserver tilbage, er missionen blevet forlænget til slutningen af ​​2012, hvilket gør det muligt for GOCE at fortsætte med at indsamle data, der vil øge den allerede høje præcision af dets tyngdekraftsmålinger.

Kunstnerens skildring af GOCE i kredsløb over Jorden. Den ene side af satellitten vender altid mod solen. Solpaneler monteret på 'solsiden' giver strøm til rumfartøjet. De er lavet af materialer, der kan modstå temperaturer så høje som 160ºC (320ºF) og så lave som -170ºC (-274ºF). Billedkredit: ESA.

Hvad holder Jordens atmosfære bundet til Jorden?

Peter Niiler opdager og kortlægger havstrømme


Er det muligt at forudsige jordskælv?

Smeltende polaris er nu den største bidragyder til havniveaustigningen

Maria Zuber på projekt for at kortlægge månens tyngdekraft