Højpræcisionsmålinger af Jordens gravitationsfelt ved GOCE-satellitten har frembragt den mest detaljerede kortlægning endnu af subtile ændringer i tyngdekraften over Jordens overflade.
Subtile gravitationsforskelle over Jordens overflade måles med hidtil uset nøjagtighed af Gravity Field og Steady State Ocean Circulation EXplorer (GOCE) satellit, bygget og drevet af Det Europæiske Rumorganisation. Dataene vil give forskerne et stærkt fundament for yderligere forskning i havcirkulation, ændring af havniveau, struktur og dynamik i Jordens indre samt bevægelser af Jordens tektoniske plader for bedre at forstå jordskælv og vulkaner.
GOCE blev lanceret den 17. marts 2009 fra Plesetsk Cosmodrome i det nordlige Rusland. Det blev ført ind i kredsløb ved hjælp af et modificeret interkontinentalt ballistisk missil (nedlagt efter den strategiske våbenreduktionsaftale). Satellitens vigtigste dataindsamlingsinstrument kaldes a gradiometeret; det registrerer meget små variationer i tyngdekraften, når den bevæger sig over Jordens overflade. Der er også en GPS-modtager (Global Positioning System), der arbejder med andre satellitter for at identificere ikke-tyngdekræfter, 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 ”kartoffel-lignende” jord viser en meget præcis model af Jordens geoid oprettet af data, der er opnået af GOCE og frigivet den 31. marts, 2011 på det fjerde internationale GOCE User Workshop i München, Tyskland. Farver repræsenterer afvigelser i højden (–100 til +100 meter) fra en “ideel” geoid. De blå farver repræsenterer lave værdier, og de røde / gule repræsenterer høje værdier. Denne geoid repræsenterer ikke faktiske overfladefunktioner på Jorden. I stedet er det en kompleks matematisk model, der er bygget ud fra GOCE-data, der på en meget overdrevet måde viser de relative forskelle i tyngdekraften over Jordens overflade. Det kan også betragtes som overfladen på et "ideelt" globalt hav, der kun er formet af tyngdekraften uden påvirkning af tidevand og strømme.
https://www.youtube.com/watch?v=E4uaPR4D024
Videnskabeligt defineres en geoid som en ekvipotential overflade, det vil sige en overflade, der altid er vinkelret på Jordens tyngdefelt. En illustration i Wikipedia-posten om det, der er vist nedenfor, giver en beskrivelse på højt niveau: i figuren peger loddlinjen (en vægt fastgjort til en ledning) på hvert sted altid ned mod Jordens tyngdepunkt. Derfor er en hypotetisk overflade, der er vinkelret på denne lodlinje, en lokal geoid overflade. Når man matematisk sys sammen og kalibreres til en gennemsnitlig havniveau, danner disse vinkelrette overflader på mange steder rundt om Jorden en geoid, en model for, hvordan tyngdekraften ændrer sig over jordoverfladen.
Diagram, der illustrerer de grundlæggende koncepter for at oprette en geoid. Figuren viser: 1. hav; 2. en reference ellipsoid 3. lokal loddelinje; 4. kontinent 5. geoid. Billedkredit: MesserWoland via Wikimedia Commons.
En geoids tyngdepunkt "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 geoid være en perfekt sfære. Men Jordens rotation får de polære regioner til at flade lidt ned, hvilket gør Jorden til en ellipsoid i stedet for en kugle. Som et resultat er tyngdekraften lidt stærkere ved polerne sammenlignet med ækvator. Mindre variationer i tyngdekraften over Jordens overflade er forårsaget af forskelle i tykkelsen og klippetætheden i Jordens skorpe, såvel som densitetsforskelle og konvektion dybt inde i Jordens indre.
Videnskabsfolk kan bruge geoiden med høj opløsning baseret på GOCEs data som en tyngdepunktreference for andre jordvidenskabelige undersøgelser. Havcirkulation, ændringer i havniveauet og smeltning af iskapper - vigtige indikatorer for klimaændringer - forårsager variationer i faktiske havoverfladehøjder, der kan måles af andre jordobservatorier. Disse observationer, der er kalibreret mod en god geoidmodel, vil væsentligt hjælpe med til bedre at forstå Jordens klimadynamik.
Tæthedsforskelle og konvektion i Jordens mantel påvirker også tyngdekraftsfeltet. For eksempel viser GOCE-geoidmodellen en "depression" i Det Indiske Ocean og "plateauer" i det nordlige Atlanterhav og det vestlige Stillehav. Tyngdekraftsdata kunne vise underskrifter af kraftige jordskælv og vulkaner og give viden, der en dag kan hjælpe forskere med at forudsige disse naturkatastrofer. Der er også vigtige applikationer inden for geo-informationssystemer, anlæg, kortlægning og efterforskning, der vil blive forbedret med en mere raffineret geoidmodel.
Ingeniører, der arbejder med GOCE GOCE i cleanroom på Plesetsk Cosmodrome i Rusland. Billedkredit: ESA.
Siden lanceringen i marts 2009, bortset fra en kort periode for kontrol af rumfartøjssystemer og en midlertidig operationel fejl, har GOCE indsamlet data om vores planets tyngdefelt, når det kredser om Jorden i en omtrentlig nord-syd retning (polær bane), ved en højde på kun 250 kilometer. Dette er usædvanligt lavt for en bane med lav jord, men det kræves, fordi de bedste gravitationsfeltmålinger opnås, når GOCE kommer så tæt som muligt på Jordens overflade, mens den stadig opretholder sin bane. Satellitens aerodynamiske form hjælper med at stabilisere den, når den skimmes ovenpå atmosfæreens kant, men uundgåeligt forårsager den sjældne luft et træk på satellitten, der bremser den ned. For at opretholde sin orbitalhastighed bruger GOCE derfor sit ionfremdrivningssystem til at give sig selv en lejlighedsvis boost.
Opgaven skulle oprindeligt vare 20 måneder, den anslåede tid, det ville have taget for GOCE at bruge alt dets brændstof. Men et usædvanligt stille solcelle-minimum havde fortyndet den øvre atmosfære og reduceret træk på satellitten, hvilket gjorde det muligt for den at spare på brændstof. Da det har resterende brændstofreserver, er missionen udvidet indtil udgangen af 2012, så GOCE kan fortsætte med at indsamle data, der vil øge den allerede høje præcision af dens tyngdekraftmålinger.
Kunstnerens skildring af GOCE i kredsløb over jorden. Den ene side af satellitten vender altid mod solen. Solpaneler monteret på den 'solrige side' giver rumfartøjet strøm. De er lavet af materialer, der kan modstå temperaturer så høje som 160ºC (320 ºF) og så lave som -170ºC (-274 ºF). Billedkredit: ESA.