Matter in Motion: Earth’s Changing Gravity

Matter in Motion: Earth’s Changing Gravity

By Laura Naranjo

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PO.DAAC

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Isaac Newtonは、木から落ちるりんごを見て重力を発見したと言われています。 彼は「グラビタス」（ラテン語で「重さ」の意）という言葉を用いて、物体を地球に固定させる基本的な力を説明しました。 それ以来、科学者たちは地球の重力を示す地図を使って、排水システムの設計や道路網の敷設、地表の調査を行っています。 しかし、ニュートンはおそらく、重力が地球の水循環に関する新しい情報を明らかにするとは想像していなかったでしょう。

伝統的に、科学者は陸上測定や船の記録、さらに最近ではリモートセンシングを組み合わせて重力マップを作成していました。 しかし、これらの測定は、重力が時間とともに変化する原因となる水の動きのわずかな変化をとらえるには十分な精度ではありませんでした。 新しい衛星ミッションのおかげで、科学者は地球を循環する水の重さを測定し、その測定値を海面、土壌水分、氷床の変化と関連付けることができるようになりました。 2002年3月にNASAとドイツ航空宇宙センター（Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt）の共同事業として打ち上げられたこのミッションは、テキサス大学宇宙研究センター、ドイツの地球科学国立研究センター、NASAジェット推進研究所（JPL）の協力により実施されたものです。 (画像提供：NASA Jet Propulsion Laboratory）

GRACE は、それぞれ自動車ほどの大きさの 2 つの同じ衛星を使用しています。 GRACEは、自動車ほどの大きさの2つの同じ衛星を使い、衛星が約220キロメートル離れて飛行している間、マイクロ波測距システムが衛星間の距離を赤血球よりも小さいミクロン単位でモニターします。 科学者たちは、2つの衛星が重力に反応して速度を上げたり下げたりするときの、衛星間の距離のわずかな変化を測定することによって、地表のどこにでも重力をマッピングすることができるのです。

カリフォルニア州パサデナにあるNASAの物理海洋学分散アクティブアーカイブセンター（PO.DAAC）とGeoForschungZentrum Information System and Data Center（GFZ/ISDC）にアーカイブされているGRACEのデータは、科学者やモデラーの重力に関する見方を変えています。 GRACEは、地球の重力場の変化を詳細に示すために、これまでの地図よりも少なくとも100倍も正確な地図を毎月提供しています。 「重力は一度測ればいいという古典的な考え方は、もはや通用しません。 重力は科学者が監視し続けなければならない要素なのです」と、宇宙研究センターのディレクターでGRACEミッションの主任研究員であるバイロン・タプリー氏は言います。

科学者は重力力を見たり感じたり、直接観測できないので、ジオイドと呼ばれる仮想球面を記述する数学モデルを用いて地球の重力を地図化します。 ジオイドは、海を潮流や風、潮汐の影響を受けない滑らかな連続した表面として表現する。 ジオイドは、科学者が重力の下向きの力を測定するための局所的な水平面を作成します。

重力は、与えられた物質がどれだけの質量を持っているかによって決まるので、物体が質量を持っていればいるほど、その重力は強くなります。 たとえば、花崗岩は質量が大きいので、同じ体積の水のような密度の低い物質より大きな引力を発揮する。

その結果、ジオイドは完全な球を形成せず、ジオイドに基づく地図では地球の重力場は膨らみや凹みを見せることになるのです。 「地球の奥深くにある物質の分布が異なるため、重力場には山や谷があります。 海はその丘のような地表に沿おうとします」と、JPLのGRACEプロジェクトサイエンティスト、マイケル・ワトキンス氏は語る。 例えば、インドの先端の海面は、ボルネオ島の海面よりも約200メートル（650フィート）地球のコアに近い。 潮汐、海流、風がなければ、海面はジオイドの丘や谷に沿い、地球の重力の強さの変化を反映しているはずです。 「水はあらゆる形態で質量と重さを持つので、私たちは実際に海を動き回っている重さを測ることができます。

GRACEは地球の水循環を観測し、水が大気中に蒸発し、雨や雪として陸地に降り、海に流れ出る様子を追跡することを可能にします。 「GRACEが検出する最大の淡水水文学的イベントは、アマゾンのような大きな河川流域での降雨流出と、インドのモンスーンサイクルです」と、Tapley氏は述べました。 他のリモートセンシング機器は海面変化を観測することができますが、熱膨張（暖かい水が膨張すること）と海に追加される水という質量を識別することができないのです。 「GRACEは、海面変化のうち、水量が増加した部分にのみ感度があります」と、宇宙研究センターの研究員であるドン・チェンバース（Don Chambers）氏は述べています。 「ほとんどのモデルは、海洋の総質量が一定で、水が追加されたり除去されたりすることがないと仮定しています。 GRACE の測定により、モデラーは質量の変動を考慮する必要があります」

海面変化のより正確な説明を開発することは、ツバルのような低地の国にとって重要です。 ハワイとオーストラリアの間の太平洋に位置するこの国は、9つの島と環礁（ラグーンを囲むリング状のサンゴ礁の島）が組み合わさってできています。 しかし、この島々は最も高いところでも海抜5メートルしかないため、海面上昇の影響を受けやすいのです。 GRACEのデータは、海面上昇に影響するような長期的な気候の傾向を明らかにすることができます。 例えば、2002年のロシアや2003年のヨーロッパでの記録的な熱波のとき、GRACEのデータによって、非常に乾燥した期間に土壌から蒸発した水分の量を測定することができました。 また、帯水層や地下水供給の変化を水文学者に警告することも可能です。 「地中深くにどれだけの水があるのか、そしてそれが1年ごとにどれだけ変化しているのかを測定するのは非常に難しいことです。 GRACEはそれを可能にする数少ないツールのひとつです」とワトキンス氏。 「

科学者たちは、氷床や大きな氷河のような凍った水の調査にも GRACE データを使用しています。 コロラド大学の研究者であるイザベラ・ヴェリコニャは、グリーンランド氷床の質量変化について研究しています。 「グリーンランドの季節サイクルの中には、氷の流出や氷河下の水文学のように、あまりよく理解されていない要素もあります。 GRACEは、このような測定が困難な要素を見ることができるのです」と彼女は言います。 高度計などの他の観測機器では、氷床の標高変化を測定することができますが、GRACEは総質量を測定し、氷床からどれだけの氷と水が流出しているかを科学者に知らせます。 「GRACEは他の衛星機器では得られない情報を提供してくれます」とVelicognaは言います。

2年間のデータを分析した結果、Velicognaは氷床が質量を失っているという、より長期的な傾向を報告しました。 他のグリーンランドの研究でもこの発見は支持されていますが、彼女は、科学者が氷床に何が起こっているかを理解するために、より長い時系列のデータを必要とすると付け加えました。 グリーンランドには約260万立方キロメートルの氷があり、これが溶けると海面が約6.5メートル上昇すると言われている。 19 世紀後半以降、氷床や氷河の融解により、世界の海面は 10 年あたり約 1～2cm（0.3～0.7 インチ）上昇しています。

ずっと昔に融解した氷河でさえ、今日の海面に影響を及ぼします。 たとえば、約1万5千年前に終わった最後の氷河期には、大きな氷の塊がハドソン湾一帯を覆っていました。 現在では、氷河の重さがないため、その下の土地は1年に約1cmの割合でゆっくりと回復している。 時間が経つにつれて、この氷河期後のリバウンドは地域の海岸線に影響を与え、潮位計の測定が複雑になり、地球の海水面の変化を監視することが難しくなります。 GRACE のデータにより、科学者は氷河期後のリバウンドに起因する変化を測定し、地球温暖化などの他の要因がどれくらい海面上昇に寄与しているかを容易に判断することができます。 GRACEは5年間のミッションとして設計されましたが、科学者たちは10年間はデータを集めたいと考えています。 「重力観測と、氷床高度測定やレーダー高度測定などの他のデータを組み合わせています。 しかし、これらのデータが何を物語っているのか、まだ理解できていません」とワトキンス氏は言います。 「このような詳細な計測を可能にしたのは、非常に素晴らしい工学的成果です。 GRACEは高解像度の重力マッピングを提供し、先駆的なリモートセンシングツールです」

Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, and C. Reigber.2004. 重力回復と気候実験：ミッションの概要と初期の結果。 このような状況下において、「重力回復と気候変動に関する実験」を実施し、その概要と初期結果を報告した。 2004. GRACEによる全球海洋質量変動の予備観測。 Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.

詳細はこちら

NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.P.).DAAC）

Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) website

GRACE fact sheet

GRACE Space Twins Set to Team up to Track Earth’s Water and Gravity

NASA 物理海洋分散アクティブアーカイブセンター (PO.ORGA)

About the Remote Sensing Data used
衛星	Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)
パラメータ	重力変動
DAAC	衛星	NASA 物理海洋分散アクティブアーカイブセンター (PO.ORGA)	Parameter	Parameter